作者：深圳大學(xué) 宋軍博士
    7/26/2010,光傳感是重要的光電應(yīng)用領(lǐng)域之一，因市場份額巨，受到眾多光電企業(yè)的重視。中國許多光電公司都有生產(chǎn)光傳感產(chǎn)品，其中不乏優(yōu)秀產(chǎn)品。但以光傳感器為核心產(chǎn)品，且形成規(guī)模的并不多。這其中很重要原因是光傳感明顯有別于其他光電產(chǎn)品，其市場隨具體應(yīng)用不同變化極大。最近的《nature》期刊，有個關(guān)于光傳感器的小訪談，看后覺得很有意思�，F(xiàn)想以這個小訪談為出發(fā)點(diǎn)，簡要探討一下近期光傳感市場的機(jī)遇和面臨的主要技術(shù)問題。希望能對有意發(fā)展光傳感市場的中國企業(yè)有所幫助。
    光傳感器按照應(yīng)用方式劃分，可概括為點(diǎn)式傳感和分布式傳感兩種。顧名思義，點(diǎn)式傳感就是對固定一點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，而分布式傳感則能對較長工作距離的目標(biāo)參量變化實(shí)時監(jiān)測。點(diǎn)式光傳感具體實(shí)現(xiàn)形式也非常繁雜，常見的有光纖傳感、波導(dǎo)芯片傳感、光譜傳感等。但分布式傳感則主要使用光纖。當(dāng)然最近也有一些公司致力于開發(fā)基于微機(jī)電（MEMs）和無線微波的分布式傳感。目前國內(nèi)的光纖傳感產(chǎn)品大多數(shù)都是點(diǎn)式的，而對市場份額大的多的分布式傳感卻鮮有涉及。主要原因是分布式光傳感應(yīng)用復(fù)雜，系統(tǒng)開發(fā)難度更大。
    由于分布式傳感應(yīng)用范圍更廣，特別可穩(wěn)定工作于油氣工業(yè)等氣候條件異常惡劣的場所，以監(jiān)控溫度、應(yīng)力等的變化，且這些應(yīng)用都是其他類型傳感器所無法企及的，因此其市場整體規(guī)模遠(yuǎn)大于點(diǎn)式光傳感。據(jù)悉近兩年分布式光傳感的市場年均市場規(guī)模約5.5億美元。且很有可能近期分布式光傳感有井噴式的市場增長。特別是近期眾所矚目的墨西哥灣原油泄漏事件，充分暴露出了油氣工業(yè)的監(jiān)管問題。對BP的高額罰單和其面臨的巨額索賠很可能對世界油氣巨頭起到殺雞駭猴的作用。促使行業(yè)加強(qiáng)監(jiān)管，這無疑是光纖分布傳感市場的重要發(fā)展契機(jī)，如能合理把握就能占得先機(jī)。注意，油氣企業(yè)除了可利用分布式光纖傳感來改善油井開采安全性，還能有效提高開采效率。據(jù)估計，由于定位及開采困難，許多“枯井”仍有70%的原油被深埋在地下，這就意味著世界上許多油井的開采效率僅30%左右。成功的光纖分布式傳感系統(tǒng)能幫助油氣公司定位原油富集區(qū)，并監(jiān)控環(huán)境條件，如果產(chǎn)品開發(fā)得當(dāng)，能幫助油氣公司重新開采老油井，以提取更多的原油。
    就現(xiàn)有的光纖分布式傳感技術(shù)來看，主要有四種實(shí)現(xiàn)方式，一是利用光纖光柵，二是利用布里淵散射，三是利用拉曼散射，四是使用基于光纖的干涉儀結(jié)構(gòu)。一個特定周期的光纖光柵能夠?qū)μ囟úㄩLBragg全反射，因此一個單獨(dú)的Bragg光柵實(shí)際就是一個點(diǎn)傳感器，這樣沿光纖在不同距離放置光纖光柵，就能構(gòu)成多點(diǎn)的網(wǎng)狀分布式光纖傳感器，這類傳感器有許多應(yīng)用，例如在油氣工業(yè)上可以對精密結(jié)構(gòu)或油井開采裝置做應(yīng)力監(jiān)控；相比光纖光柵，利用布里淵散射的光纖分布式傳感是個較新的概念，其整體系統(tǒng)價格也遠(yuǎn)高與前者。但基于布里淵散射的分布式傳感具有長距離、連續(xù)分布、雙參數(shù)、高空間分辨率、高精度連續(xù)等顯著優(yōu)勢。使用布里淵散射，整根光纖任何一點(diǎn)都可以用于傳感，且能同時對應(yīng)力和溫度（雙參數(shù)）做監(jiān)控；在油氣工業(yè)的溫度測量中，目前基于拉曼散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)是占有主導(dǎo)地位的技術(shù)，這主要是因?yàn)榛�于拉曼效�?yīng)的光纖傳感能同時對15km甚至更長的工作距離做實(shí)時監(jiān)控，這特別適合于油井開采應(yīng)用；目前已經(jīng)有一些基于干涉技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)，主要是利用系統(tǒng)對震動敏感的特性，以對橋梁、路面甚至是地震做監(jiān)控。分布式傳感的應(yīng)用目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)”式的監(jiān)控，在橋梁、建筑、油礦等處都埋入傳感用的光纖，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。國內(nèi)已經(jīng)有這樣的分布式應(yīng)用，如蘇通大橋、動車組防護(hù)柵欄和南京玄武湖隧道等，都埋入了光纖，然而采用的核心技術(shù)均為國外所有。國內(nèi)光電企業(yè)如能準(zhǔn)確把握市場，合理定位并開發(fā)產(chǎn)品，其市場前景巨大。
    對點(diǎn)式光纖傳感器，目前需求量最大的是光纖陀螺產(chǎn)品，盡管這類傳感器價格較貴，但一些獨(dú)特優(yōu)勢是其他傳感器產(chǎn)品無法比擬的，因此仍有較廣泛的市場。例如光纖陀螺沒有移動部件，因此測試可靠性強(qiáng)，這使得這類系統(tǒng)特別適合具有高穩(wěn)定性要求的場合。點(diǎn)式光纖傳感的另一個振奮人心的潛在市場是醫(yī)療應(yīng)用。例如以光纖為媒介的內(nèi)窺探測產(chǎn)品已經(jīng)被成功商用。這類產(chǎn)品開發(fā)面臨的一個主要問題是價格。因?yàn)獒t(yī)療應(yīng)用，我們都知道，出于衛(wèi)生原因大部分產(chǎn)品都要求是一次性的，特別是這種深入體內(nèi)的探測手段，相關(guān)元件最好用過一次就丟掉，不重復(fù)使用，以免交叉病毒感染。這就要求相關(guān)部件價格足夠低，目前還很難做到這一點(diǎn)。
    但可以說點(diǎn)式傳感器最大的市場機(jī)遇就在于醫(yī)療，主要用于疾病診斷、病人監(jiān)控，以及藥物開發(fā)。此外，點(diǎn)式光傳感器也有望在能源工業(yè)得到廣泛應(yīng)用。例如在煤炭工業(yè)上，使用點(diǎn)式光傳感器通過實(shí)時的光譜測試，能最小化成渣率；再比如在電力系統(tǒng)里，點(diǎn)式光傳感是用作電網(wǎng)監(jiān)控及熱點(diǎn)檢測的有效手段；和油氣工業(yè)的應(yīng)用有點(diǎn)像，基于拉曼散射的光纖傳感還可用于地?zé)峋�的檢測與監(jiān)控，但這種應(yīng)用需要更高的溫度適用范圍，工作場所條件異常艱苦。目前除了基于拉曼散射的光纖傳感器，尚未有其他更合適的方法。用于地?zé)崮茉幢O(jiān)控的分布式光纖傳感是一個新興的應(yīng)用領(lǐng)域，但市場前景非常好。我國地?zé)豳Y源非常豐富，特別是東南沿海(閩、贛、粵、臺)帶、遼東-膠東，以及華北盆地京津唐地區(qū)，這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，卻資源短缺，作為下一代能源，做為就地取材的有效方法，地?zé)徇@種安全潔凈的能源方式很有希望在這些地區(qū)得到廣泛推廣，在推廣的同時配套的分布式傳感市場規(guī)模巨大。從世界范圍來看，據(jù)悉2011年開始，面向地?zé)釕?yīng)用監(jiān)控的光纖傳感市場規(guī)模將有突破性的增長。
    另一個非常有潛力的新能源技術(shù)是風(fēng)力。光傳感器還有望用于風(fēng)力發(fā)電，并有效用于提高轉(zhuǎn)換效率和延長風(fēng)力機(jī)使用壽命。前文提到的《nature》小訪談里還簡單提到了一種設(shè)想，將激光探測及測距系統(tǒng)(LIDAR)與應(yīng)力傳感器相集成，一起用于風(fēng)力機(jī)組上。以探測并預(yù)估風(fēng)向變化，探測到的信息用于及時控制渦輪葉片轉(zhuǎn)動至正確的位置，以最小化槳葉表面應(yīng)力，并最大化功率輸出。注：LIDAR是LIGHT DETECTION AND RANGING的首字母組合，即激光探測及測距系統(tǒng)，它是采用單個激光脈沖量測從激光源到目標(biāo),再回到激光接收器的時間,同時結(jié)合傳感器定位,定向數(shù)據(jù),精確量測出被測物體(目標(biāo))的三維坐標(biāo)。
    在了解了光傳感近遠(yuǎn)期市場機(jī)遇后，我們還有必要合理認(rèn)識產(chǎn)品開發(fā)的市場風(fēng)險，從本質(zhì)上把握今天光傳感市場推廣和產(chǎn)品開發(fā)所面臨的主要問題。對于光電企業(yè)，在開發(fā)推廣光傳感產(chǎn)品之前，必須對產(chǎn)品應(yīng)用的領(lǐng)域有充分的理解，讓產(chǎn)品充分配合應(yīng)用市場的客觀要求。光傳感應(yīng)用不同于其他光電產(chǎn)品的根本原因就在于應(yīng)用場所的多樣性。舉個例子用于油氣工業(yè)的傳感器，即便原理行得通，也不能照搬用于食品領(lǐng)域。領(lǐng)域的不同，對產(chǎn)品開發(fā)提供的具體要求差異就非常大。因此目前許多以光傳感為主導(dǎo)產(chǎn)品的企業(yè)往往僅將目光專注于有限的一兩個應(yīng)用領(lǐng)域，這也使得企業(yè)難以形成規(guī)模效應(yīng)。在前面提到的《nature》訪談里，有一句意味深長的話“據(jù)我們估計，在光傳感領(lǐng)域失敗的企業(yè)，有超過70%失敗的原因不是技術(shù)問題，而是沒有正確認(rèn)識市場”。對那些有意開發(fā)光傳感產(chǎn)品的中國企業(yè)來說，如果能切實(shí)領(lǐng)會這句話的深層含義，相信會受益良多。除了這一點(diǎn)，光傳感市場還面臨其他一些挑戰(zhàn)。其中最主要的是價格和標(biāo)準(zhǔn)。近些年關(guān)于光傳感應(yīng)用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)法規(guī)正逐漸健全并完善，隨著標(biāo)準(zhǔn)的建立，主要元件的制造將形成規(guī)�；�效應(yīng)，其生產(chǎn)成本肯定會下降。但在這之前，企業(yè)合理關(guān)注相關(guān)動態(tài)，在標(biāo)準(zhǔn)建立之前合理規(guī)劃產(chǎn)品開發(fā)和市場推廣，以適應(yīng)未來規(guī)范化的市場也至關(guān)重要。