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背景
光纖，在大多數人的印象中，主要是作為網路通信中的信息傳輸媒介，應用於長距離的光通信系統。一般來說，它是由玻璃或者塑料製成的纖維。
（圖片來源：維基百科）
然而，出乎許多人意料的是，光纖還有一項十分重要的用途：感測器。其實原理很簡單：光纖是光波的一種傳輸介質，當光波在光纖中傳輸時，外部因素（例如：溫度、壓力、應變、振動、聲音、磁場等）的變化會引起光波的光學特性（例如：振幅、相位、偏振、波長等）的變化。因此，光纖可用於感知和測量各種物理變化，甚至被比作「人造神經」。
光纖感測器技術的應用領域非常廣闊，比如說：用於建築物監控領域，例如監測橋樑結構、輸油管道泄露、鐵路滑坡等問題；用於航空航天領域，例如感知飛機機翼狀況；用於生物醫療領域，例如檢測乳腺癌的溫度變化；用於可穿戴設備與智能織物領域，例如檢測人體健康狀況與早期診斷疾病。
接下來，讓我們一起回顧一下筆者以往介紹過的兩個經典案例：
1）瑞士和西班牙的科研人員開發出一條長達10千米的分散式光纖感測器系統，能感知100萬個點的溫度變化或者應變。
（圖片來源：Duncan Rawlinson、Alejandro Dominguez-Lopez）
2）日本東北大學團隊開發出一種低成本感測器，它利用空心光纖傳導敏感氣體，監測人體呼吸中低濃度的生物標記物，為未來的非侵入式健康研究開闢了一條新的道路。
（圖片來源：東北大學）
創新
近日，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的研究人員提出一種新方法，在光纖內部光束的幫助下簡單地生成聲波，使得光纖可以分辨它們接觸的是液體還是固體。
（圖片來源：Alain Herzog / EPFL）
EPFL 工學院教授 Luc Thévenaz 領導的纖維光學小組（GFO）主導了這項研究，相關論文發表於《自然通信（Nature Communications）》雜誌。
在光纖中使用聲波的想法起初來源於該團隊的合作夥伴：以色列巴伊蘭大學的研究人員。隨後，他們展開了聯合項目研究。
技術
這種光纖由玻璃製成，寬度不超過一縷髮絲。它傳輸的光線根據四個參數：強度、相位、偏振、波長，產生相應的變化。當光纖被拉伸或者溫度發生改變時，這些參數也會發生改變，使光纖像感測器一樣，能夠檢測結構中的裂縫或者溫度的異常。但是迄今為止，在不讓光線脫離光纖的情況下（即不干擾光線的傳播路徑），科學家們仍無法判斷光纖周圍正在發生的狀況。
EPFL 開發的方案利用了光纖內部生成的聲波。這種超高頻的波，在光纖的壁上，有規律地反彈。根據聲波接觸的材料不同，在不同的位置，產生的回聲也不同。當光束離開光纖時，這種回聲在光線上留下可讀取的記號，反映出光纖周圍的環境。這種記號非常微弱，以至於幾乎不會干擾光纖內部傳播的光線。這種方法可以感知光纖周圍發生了什麼狀況，與此同時發送基於光線的信息。
（圖片來源：參考資料【2】）
（圖片來源：參考資料【2】）
價值
研究人員已經將他們的光纖浸入水中，接著是酒精中，然後再放到露天中。每一次，他們的系統都能正確地分辨周圍環境的變化。Thévenaz 表示：「我們的技術可用於檢測漏水，以及光纖所接觸的液體的密度和鹽度。潛在的應用非常多。」
（圖片來源：Desmond Chow / EPFL）
一種簡單的時基方案就可以檢測周圍環境中的變化。Thévenaz 解釋道：「每個波脈衝的產生都有一個微小的時間間隔。這種延時反映在光束到達的時間上。如果沿途存在任何干擾，我們不僅可以搞清楚它們是什麼，也可以判斷出它們的位置。目前，我們可以在約數十米的範圍內定位干擾，但是我們卻擁有將精度提高至一米的技術手段。」
關鍵字
光纖、感測器、聲波
參考資料
【1】https://actu.epfl.ch/news/optical-fibers-that-can-feel-the-materials-around-/
【2】Desmond M. Chow, Zhisheng Yang, Marcelo A. Soto, Luc Thévenaz.Distributed forward Brillouin sensor based on local light phase recovery. Nature Communications, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-018-05410-2
