国产MEMS光纤传感器技术&市场格局全面梳理

光纤传感技术兴起于 20 世纪 70 年代末，随着光纤技术的不断提升，如今，光纤，不止是传输信号的“血管”，也成为监测信号的“神经”。

由于具备极高的灵敏度和精度、抗电磁干扰、高绝缘强度、耐腐蚀、无源、能与数字通信系统兼容等优点，光纤传感技术在极端环境下能完成传统电传感器难于甚至不能完成的任务，扩展了传统传感器的功能，因此发展势头迅猛。

本报告主要研究以下问题

MEMS光纤传感器简介

MEMS光纤传感器市场

MEMS光纤传感器市场竞争格局

总结

报告作者：陆凤临

2022/12

 

MEMS光纤传感器简介

 

在介绍MEMS光纤传感器之前，首先我们需要弄清楚MEMS光纤传感器到底是MEMS传感器还是光纤传感器。

下图是一个MEMS光纤加速度传感器。根据产品信息报告，这是一种双正交单分向的宽频带加速度传感器，可以将加速度检测质量块、弹性支撑体、光学反射微镜、光入射及出射波导直接集成在一个微小的芯片上，真正实现了对加速度信号的全光检测和传输。 

由此可见，MEMS光纤传感器是一个针对光信号处理的传感器。

MEMS是利用集成电路制造技术和微加工技术把微结构，把微传感器、微执行器等制造在一块或者多块芯片上的微型集成系统。MEMS传感器的工作原理如下图所示，每一个微系统可以采用数字或者模拟芯片与其他的微系统进行通信。

由此可见，MEMS传感器是将各种模拟信号转化为电信号的传感器。

光纤传感器是一种将被测对象的状态转变为可测的光信号的传感器，和普通意义上MEMS传感器将模拟信号转换为电信号的原理并不相同，所以MEMS光纤传感器不是MEMS传感器，而是一种光纤传感器。

光纤传感器一般是由光源、接口、光导纤维、光调制机构、光电探测器和信号处理系统等部分组成。光导纤维是利用光的完全内反射原理（全内反射，又称全反射（total internal reflection，TIR），是一种光学现象。当光线从较高折射率的介质进入到较低折射率的介质时，如果入射角大于某一临界角θc（光线远离法线）时，折射光线将会消失，所有的入射光线将被反射而不进入低折射率的介质）传输光波的一种介质，它是由高折射率的纤芯和包层所组成。包层的折射率小于纤芯的折射率，直径大致为0.1mm～0.2mm。当光线通过端面透入纤芯，在到达与包层的交界面时，由于光线的完全内反射，光线反射回纤芯层。这样经过不断的反射，光线就能沿着纤芯向前传播且只有很小的衰减。

光纤传感器工作原理就是把发射器发出的光线用光导纤维引导到检测点，再把检测到的光信号用光纤引导到接收器来实现检测的。按动作方式的不同，光纤式传感也可分为对射式、漫反射式等多种类型。光纤式传感器可以实现被检测物体在较远区域的检测。由于光纤损耗和光纤色散的存在，在长距离光纤传输系统中，必须在线路适当位置设立中级放大器，以对衰减和失真的光脉冲信号进行处理及放大。

如下图所示，光纤传感器中，来自光源的光线，通过接口进入光纤，然后将检测的参数调制成幅度、相位、色彩或偏振信息，最后利用微处理器进行信息处理。概括光纤传感器一般由三部分组成，除光纤之外，还必须有光源和光探测器两个重要部件。

光纤传感器一般分为两大类：一类是传光型，也称非功能型光纤传感器；另一类是传感型，或称为功能型光纤传感器。前者多数使用多模光纤，以传输更多的光量；而传感型光纤传感器，是利用被测对象调制或改变光纤的特性，所以只能用单模光纤。

光纤传感器还有一个概念，光纤传感器分为强度调制与频率调制分类。强度调制传感器是成本较低的，用在一些工程领域较多（比如，侧液面，位移，间隙，压力等甚至与生物化学指标结合在一起的。）频率调制像光栅多用在高价值的目标对象上，比如战斗机，航天器，大型客机，油井等等。国际上有一些不错的高端光栅传感器公司，比如Luna，不过光纤本身加上数采价格不菲。做研究的采购多。目前，单光栅的比较便宜，多光栅的价格比较贵

光纤传感器的优势有很多，例如它具有优良的传光性能，传光损耗很小，目前损耗能达到≤0.2dB/km的水平。光纤传感器频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好。光纤传感器体积很小，重量轻，能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离测量。

光纤传感器还具有灵敏度高、可靠性好、原材料硅资源韦富、抗电磁干扰，抗腐蚀、耐高压、电绝缘性能好、全域分布无盲点、可定位、无源防爆、抗干扰、对环境要求低、使用寿命长、安装维护简单、防爆、频带宽、损耗低等特点，可应用于易燃易爆、隧道交通、海底电缆、实现对温度、振动、应变等变量的实时在线传感与监测。同时，它还便于与计算机相连，实现智能化和远距离监控。对传统的传感器起到扩展提高的作用，不少情况下能够完成前者很难完成甚至不能完成的任务。

正是由于光纤传感器具有许多独特优势，可以解决许多传统传感器无法解决的问题，故自从它问世以来，就被广泛应用于医疗、交通、电力、机械、石油化工、民用建筑以及航空航天等各个领域。也就是说，在广域、易燃易爆炸、磁场干扰、恶劣条件下的环境中，光纤传感器拥有无敌的优势，但是在普适的环境中，可能存在一些难以适用的问题，一些行业专家认为光纤传感器技术处于早期阶段，还远远没有成熟。目前限于它的两端连接设备及设备的价格仍然比较高，另外还有光纤的连接也远比电连接，无论从设备还是技术上的要求都要高。同时光纤传感器在工程布线也有些难以耦合的问题。

光纤传感器市场上获得成熟应用并且接受度较高的产品有：光纤光栅温度/压力/应变传感器；点式荧光光纤温度传感器产品；点式光纤F-P压力/温度/振动传感产品，光纤电流传感产品；光纤陀螺产品；分布式光纤拉曼测温系统；光纤干涉型入侵监测系统。

光纤传感产品具有小批量多品种、分布在各种细分市场的特点，国内外的确没有大型的专业做光纤传感的公司，也鲜有光纤传感器的市场数据；但是很多国外的石油巨头、军工巨头，还有ABB、西门子这样的电力设备大公司都有自己的光纤传感业务，只不过外人对这些业务的发展情况很难摸清楚。在一些新兴领域，比如分布式传感，也有一批中小型的专业公司。

 

MEMS光纤传感器市场

 

虽然光纤传感器技术在实际检测中取得了一些应用，但没有大规模应用且变成一个相对主流的传感器。这是因为光纤传感器目前仍存在一些问题：如光纤埋入结构的工艺问题，虽然可以通过安装方式得到改善，但同时也导致了应变要先经过金属传递，然后再由光纤间接感应到应变，因此需要通过实验修正才能够进行准确测量。同时光纤传感器的输出信号会受到光源波动、光纤传输损耗变化、探测器老化等因素的影响，这些因素都会降低光纤传感器测量的准确性。再者，目前光纤传感器实用性还有待开发，同时其制作成本相当昂贵。目前光纤传感器很大一部分产品还在实验室阶段，因此需要将实验结果尽快投入到使用中去。

根据凌云光纤传感报告，分布式光纤传感市场应用以油气为主，包括油气管道、油气井下和油气抗震的应用，占了整体应用的46%，军用及事业领域占比12%，建筑领域及其他占比43%。也应证了其在易燃易爆领域，以及广域的优势。

2017年5月，ElectroniCast发布最新的全球光纤传感器市场预测（2016-2026年）报告称2016年全球光纤传感器（包括点式和分布式）消费值达到33.8亿美元（折合约221.32亿人民币），2026年这一数值将达到59.8亿美元（折合约391.57亿人民币）

根据立鼎产业研究中心数据，预计至2022年我国光纤传感器市场规模将增至40亿元，至2022年市场规模将增至58亿元。根据赛迪顾问数据，2020全球传感器市场规模1500+亿美元，MEMS渗透率大概在10%左右，光纤传感器应该不足3%。国内渗透率2020年国内传感器2500亿人民币，MEMS国内渗透率大概在10-15%的水平，光纤传感器大概在2%左右。

不过光纤传感器增长率要高于传感器市场，根据研究机构TechNavio发布2013-2018全球光纤传感器市场研究报告2013-2018年，全球光纤传感器年复合增长率约为10.3%，传感器大概在5%左右的水平，不过MEMS传感器为15%。）。

市场类别分类占比数据，根据oeshow数据，高精度光栅传感器占据大部分，光纤陀螺仪占全球光纤传感器市场份额的65%。光纤传感器在的航空航天的应用都有所增长，军事应用中（例如无人机、导弹制导、导航、跟踪、机器人及航空飞行术等）光纤陀螺仪会有大幅度增长。

据Frost&Sullivan数据显示，我国光纤传感解决方案市场规模达72.90亿元人民币，2017-2021年的年复合增长率达27.1%，预测到2026年，市场规模将达到208.70亿元。

 

MEMS光纤传感器市场竞争格局

 

仅就光纤传感技术而言，中国学者所取得的成就已经很接近世界先进水平，差距在不断缩小中。过去几年，包括南京大学，深圳中科传感，无锡联河，珠海光辰，上海拜安在内，许多学校和企业都拥有了全套的光纤传感解调方案。在光纤传感系统的核心部件上，包括厦门彼格的窄带光源，世维通的铌酸锂波导，以及长飞，长盈通保偏光纤，先品耐高温耐辐射特种光纤及相关的器件方面都实现了国产化。以往光纤传感系统里比较前沿的OFDR(江苏昂德)，BOTDR(暨南大学，上海交大等)等国内已经有许多机构可以开发。

我国光纤传感器生产及服务企业按地域可分为4大产业群，分别是以江苏、浙江、上海、安徽为主的华东长三角产业群，以北京、河北为主的华北地区环渤海产业群，以湖北为主的华中地区产业群和以广东为主的珠三角产业群，这四大产业群的企业总数占全国光纤传感器生产及服务企业总数的90%。

国内光纤传感器生产及服务企业按照业务分为以下几类：

（1）专注于某一种或几种光纤传感器的研发和生产型企业；

（2）国外光纤传感器的代理商及国内市场支持；

（3）具有鲜明行业应用背景的系统集成商和综合解决方案供应商；

（4）通信产业及其他公司的新业务拓展或者业务转型。

目前，中国市场上光纤传感器厂商的经营模式主要分为两种：

一种是国外厂商在中国主要从事仪器的生产和推广，系统集成工作由国内合作厂商完成。这种经营模式资源利用率高，但产品能否满足客户需求很大程度取决于合作商的技术水平和质量控制水平。

另一种是国内厂商通常直接进口仪器，集成配套设备和软件，进而形成整个监测系统。这种集成化的经营模式不需要厂商具备很强的研发和生产能力，进入壁垒较低。

根据QYR机构数据，Micron Optics、Honeywell、FISO Technologies、Omron和FBGS Technologies GMBH是全球排名前五的光纤传感器制造商，市场份额约为39%，全部是国外厂商。

光纤传感器行业壁垒大致分为三类。第一部分是仪器硬件的检测灵敏及准确程度，第二部分是调制解调器实验修正的算法水平，第三部分是工程施工耦合能力，其最终一部分体现在其测量误差及时间长度，另一部分体现在其适用的下游领域。

2021年，华为正式推出了油气管道光纤预警解决方案。该解决方案包括部署于场站的DAS设备和感知算法服务器，两个部署设备的站点之间最远距离可达100km。部署于指挥调度中心的集中管理平台支持与GIS、视频监测或无人机、巡线系统等其他平台对接，共同形成一个完整方案，融入生产流程，端到端闭环管道的安全风险。该解决方案集成了光纤和传感算法，以创建一个动态、自适应的环境。其次，该解决方案采用增强型oDSP算法消除监测盲点，提升信噪比，为数据分析提供充分可信的信息输入，支撑预警零漏报。再者，方案采用了32维振动波形分析算法，用于过滤背景干扰和增强弱信号。最后，传感算法支持自学习和自优化。在线学习本地样本，快速调整算法模型，适应新的环境和场景。这三项关键技术与光纤传感结合应用，在监测的基础设施范围内提供自适应智能。

3.1

国际巨头——Micron Optics

Micron Optics（微光光学，简称MOI）公司, 是一家在可调光学技术领域具有领导地位的美国公司。公司可提供全面的服务于传感，生物和电信市场的器件及仪器解决方案。

基于这种可调光专利技术的创新产品包括：可调滤波器，扫描激光器，可调光模块，光学测试仪器等，分别用于光纤传感，生物和光通信系统。

光纤传感产品目前包括：光纤滤波器，分布式光纤传感器测量系统，分布式光纤温度传感器系统，分布式光纤应变传感器系统，光纤光栅传感器，光纤光栅解调器，光纤传感分析仪，光纤应变传感器，光纤温度传感器，光纤位移传感器等。光纤传感产品可用于能源，航空，土木结构，交通和安防工业等。

2018年10月，Luna Innovations公司表示已收购位于亚特兰大的Micron Optics公司，该交易的条款没有披露。Luna Optoelectronics, Luna Innovations Incorporated（纳斯达克股票代码：LUNA）成立于1990年，公司生产传感器、组件分析仪、探测器、发射器、光耦合器，产品主要应用于测试系统、航空航天、能源、自动化、军事。

3.2

1.国内竞对- 深圳中科传感

深圳中科传感科技有限公司 (CASSTK)是由朱佳佳技术团队与中科院深圳先进院于2015年3月联合创立，中科院、中广核和风投联合投资，是一家专注于光纤传感核心技术产品研发的高科技公司。

公司股权结构如下图：

核心产品包括：高可靠性光纤光栅传感分析仪和系统、高性价比光纤光栅传感分析仪和系统、基于光纤传感的云平台以及光纤传感器。

（*资料来源：首页 - CASSTK - 中科传感）

3.2

2.国内竞对-北京佰为深科技发展有限公司

北京佰为深科技发展有限公司（简称佰为深科技）是一家专注于微型光纤传感器核心技术产品的开发与应用的硬科技企业。团队核心产品基于MEMS工艺生产，以实现传感器超微型化。利用白光干涉和扫描光谱的光纤传感解调技术，佰为深科技可以提供整套点式光纤传感解决方案，并已成功实现了光纤传感器产品在医疗、石油、地热、高铁等领域的商业化应用。团队目前已申请8项专利，其中发明专利6项，实用新型2项 (已获授权1项)，国际专利5项。

佰为深光纤传感器技术源起于某军工项目，核心技术脱胎于我国某主要装备型号测试的光纤传感器，曾用于测量发动机压力、温度等物理量，研发成品在航空发动机、风洞、电磁干扰环境下开展过严苛的压力测试实验，因而具有军工级品质和技术优势。

佰为深科技光纤传感器产品采用MEMS工艺，经光刻、显影、腐蚀、镀膜、掺杂、键合、退火、减薄、划片等工艺步骤生产。经过对工艺路线的不断优化，佰为深团队已掌握成熟的工艺技术，该工艺可使得传感器尺寸达到国际同类产品最小尺寸0.23mm。

根据应用场景不同，佰为深科技的核心产品可分为医疗应用和工业应用两大类。其中医用产品主要包括心脏冠脉FFR(血流储备分数)压力导丝、泌尿肾压导丝、门静脉高压检测、激光消融等。工业产品涉及石油化工、高铁轨道和风电等领域物理量的精确测量。

团队方面，佰为深科技创始人&CEO张立喆拥有北京航空航天大学仪器仪表工程硕士学位，曾任职于中航工业国防科技重点实验室、光纤传感技术中心等，任职期间曾负责光纤传感技术相关的多个国防基础科研项目及航空基金项目，多次获得航空科学技术奖、国防科学技术进步奖。在创立佰为深科技之前，张立喆曾有过创办科技公司经验，该公司已于2014年被上市公司收购。

佰为深科技此前已完成了两轮对外融资，投资方包括中科创星、成都博源、创客总部、上海理成等。

（*资料来源：瞄准万物互联 佰为深科技用MEMS光纤传感器构建“光纤传感网”-电子发烧友网 (elecfans.com)）

3.2

3.国内竞对-无锡联河

无锡联河光子技术有限公司成立于2012年，是上海交通大学无锡研究院光纤传感技术研究中心的依托公司。公司的主要产品包括光纤光栅传感器和传感网络、光纤反射仪、光纤干涉仪、光纤分布式传感系统等。

公司股权结构如下图：

3.2

4.国内竞对-珠海光辰

珠海市光辰科技有限公司，成立于2013年，珠海华发集团成员，位于广东省珠海市。公司专注于光纤传感系统用光器件解决方案研究，公司的扫描式半导体可调谐激光器模块和光纤光栅解调仪广泛应用于光纤光栅传感解调系统。

光库科技(300620.SZ)发布公告，公司于2020年12月3日与光辰科技创始人邱二虎签订了《关于珠海市光辰科技有限公48.98%股权之收购协议》，公司以自有资金1371万元购买邱二虎持有的珠海市光辰科技有限公司(简称“光辰科技”)48.98%股权。目前公司已被光库科技100%控股。

公司产品分为光纤光栅解调仪、平衡探测器、可调光源、DFB半导体激光器模块、扫描式半导体激光器模块、高功率窄线宽激光器模块等。下图是光纤光栅解调仪产品：

光辰生产的扫描式半导体激光模块，又称“半导体激光模组”，是成熟较早、进展较快的一类激光器。由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，已超过300种。半导体激光模块在激光测距、激光雷达、引燃引爆、检测仪器等方面获得了广泛的应用，形成了广阔的市场。

半导体激光模块的最主要应用领域是Gb局域网，850nm波长的半导体激光模块适用于)1Gh/。局域网，1300nm -1550nm波长的半导体激光模块适用于1OGb局域网系统i1.半导体激光模块的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术。

光辰生产的DFB激光器模块，是国内唯一能国产应用于DFB激光器的核心器件厂家（2020年新闻），DFB(Distributed Feedback Laser)激光器，即分布式反馈激光器，其不同之处是内置了布拉格光栅（Bragg Grating），属于侧面发射的半导体激光器。DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓(GaSb）、砷化镓（GaAs）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性（即光谱纯度），它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边模抑制比（SMSR），可高达40-50dB以上。制造工艺 DFB芯片的制作工艺非常复杂，下表是DFB激光器的主要生产工艺流程（从材料生长到封装的整个过程）：

 

 

总结

 

我们在做项目判断时，可以关注以下几点：

（1） 光纤传感器整体市场的发展情况，在标的公司所拓展的下游传感器市场的渗透率

（2） 光纤传感器在技术方面缺陷的解决情况，关注技术来源，是否来自于国内光纤传感器研究前沿的高校

（3） 由于市场目前不大，标的公司的业务可持续发展情况（下图为光纤传感器在各个场景中的应用）

光纤传感器产业链情况，上游设备采购供应商是否存在国际风险

审核编辑 黄宇