Light | 随机光学参量振荡（R-OPO）光纤传感器

 研究背景 

光纤传感技术在重大工程等领域中具有广泛应用需求，成熟的光纤传感方案主要有点式、分布式和电可寻址光纤传感，但均难以兼顾长距离、高灵活性、高信噪比及实时定量监测的综合需求。点式光纤传感以光纤布拉格光栅（FBG）为典型代表，传感尺寸通常在厘米或毫米量级，具备优异的空间分辨率，但传感点位一经布设即固定不变；光纤光栅阵列虽可在长距离应用场景中实现准分布式传感，但其成本高昂且相邻传感点之间存在监测盲区，难以大规模应用。

分布式光纤传感利用光纤固有的瑞利散射、受激拉曼散射等特性实现全长监测，受限于极低的散射反射系数，其信噪比远低于点式传感器，且信号解调算法复杂，难以实时监测。

电可寻址光纤传感作为介于点式与分布式传感之间的中间型方案，具备电子调谐传感位置的灵活性，但大多方案需依赖光纤双端接入才能实现稳定传感，单端接入的改良方案仅能支持短距离传感，无法满足长距离监测的实际需求。

 创新研究 

| R-OPO传感原理

首先，研究团队通过图1解释了R-OPO的传感原理。高功率脉冲泵浦光射入级联的增益光纤和传感光纤，在增益光纤中激发调制不稳定性（MI）效应，产生特定频率的MI边带光。通过调谐FBG，使其反射峰精准匹配MI边带的峰值频率，这可使得特定1米长传感段产生弱散射光，与后续的泵浦脉冲实现同步传播并获得MI增益。当增益足以抵消光纤传输、散射等损耗时，系统会形成稳定的随机光学参量振荡（R-OPO），此时振荡光的频率由该1米传感段的散射特性决定。

图1：R-OPO传感原理

| R-OPO动态温度及应变传感

研究人员通过图2验证了R-OPO光纤传感器的温度监测性能。证实了温度变化幅度与拍频信号偏移量的线性对应关系，并进一步展示了水下光纤段的连续温度监测结果，以及传感光纤任意1米段的普适性监测效果，充分证明R-OPO传感器具备动态、精准且灵活的温度监测能力。如图3，针对水浴环境下光纤传感段45秒温度连续监测结果中多次R-OPO模式跳变问题，研究人员提出一种频率解缠算法，有效解决了这一技术瓶颈，有效拓展了传感器的动态测量范围。此外，研究团队还依托四波混频技术提高R-OPO传感器温度监测灵敏度，如图4。

图5验证了R-OPO光纤传感器的应变监测性能，呈现了在2Hz/10Hz不同频率、±200纳应变至±10微应变不同幅度的应变加载条件下，传感器采集到的R-OPO脉冲光谱信号，并采用频率解缠算法修正图4d信号中出现的模式跳变，得到的平滑连续的应变监测曲线，证实了该传感器对微小应变的高灵敏度检测能力及算法优化后的性能提升效果。

图2：R-OPO温度传感

图3：频率解缠算法提升动态测量范围

图4：四波混频技术提升温度灵敏度

图5：R-OPO应变传感

图6：噪声谱密度

 总结与展望 

研究团队创新性地提出一种随机光学参量振荡（R-OPO）光纤传感器，成功实现超25km的远距离传感，可在1km以上的传感范围内达到1m的空间分辨率。利用的频率解缠算法拓展了传感器的动态测量范围。引入四波混频技术，提升了传感器的温度监测灵敏度，其温度和应变噪声限灵敏度分别达 和 。该技术为长距离、高精度光纤传感奠定了重要基础。

展望未来，后续可通过优化脉冲调制等方式，进一步降低传感器的本底噪声，提升灵敏度和空间分辨率；还可推动R-OPO光纤传感技术与FBG等传统光纤传感技术的集成，构建多维度、多尺度的复合传感系统，实现复杂场景下的多参数协同监测；针对实际应用，开展传感器的小型化、集成化设计与批量制备工艺开发，加速该技术走向工业监测、能源储能、结构健康监测等领域的实用化进程。

 论文信息 

Tovar, P., von der Weid, J.P., Wang, Y. et al. Random optical parametric oscillator fibre sensor. Light Sci Appl 15, 52 (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41377-025-02049-9