基于陣列波導(dǎo)光柵的邊緣濾波溫度解調(diào)系統(tǒng)

李鴻強(qiáng)，王潤(rùn)潔，張美玲，高 倩，張 賽，宋文超，毛泉樺，李恩邦，Juan Daniel Prades Garcia

（1.天津工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；3.University of Wollongong，Centre for Medical Radiation Physics，Australia Wollongong NSW 2522；4.Universitat de Barcelona，Department of Electronic and Biomedical Engineering，Spain Barcelona E-08028）

引言

使用光纖傳輸光信號(hào)這一想法是由美籍華人高錕博士提出來(lái)的，自此，光纖開始應(yīng)用于光纖通信和光學(xué)傳感領(lǐng)域。加拿大K.Hill等學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)到光纖的折射率可以通過(guò)特定波段的光照射的方式產(chǎn)生永久性改變，這一現(xiàn)象讓他們意識(shí)到可以據(jù)此來(lái)制作光纖光柵（fiber Bragg grating，F(xiàn)BG），這也標(biāo)志著光纖光柵研究的開始。光纖光柵解調(diào)法主要分為非平衡M-Z干涉儀法、可調(diào)諧F-P（Fabry-Perot）濾波解調(diào)法、邊緣濾波解調(diào)法、匹配光柵濾波法[1-2]和陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)法[3-4]等。1995年，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室A.D.kersey 等人將4個(gè)光柵作為一個(gè)陣列，解調(diào)系統(tǒng)中加入可調(diào)FP濾波器，最終，整個(gè)解調(diào)系統(tǒng)具有±3 με的應(yīng)變分辨率[5]。2007年，天津大學(xué)劉鐵根等人為了簡(jiǎn)化解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高解調(diào)設(shè)備的的實(shí)用化程度，研究出了一種便攜式解調(diào)方案，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的解調(diào)[6]。為了進(jìn)一步拓寬光纖光柵應(yīng)變傳感器的測(cè)量范圍，2009年，西安石油大學(xué)的喬學(xué)光等人采用邊緣濾波解調(diào)法[7]，將測(cè)量范圍提升至2500 με。2013年，華北電力大學(xué)的劉瑋在傳統(tǒng)解調(diào)方法的基礎(chǔ)上，基于F-P濾波器法進(jìn)行了改進(jìn)，一定程度上提高了解調(diào)速度和精度[8]。2016年，中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司劉鵬飛、郝鳳歡等人將標(biāo)準(zhǔn)具引入解調(diào)方案，設(shè)計(jì)了一種可以進(jìn)行波長(zhǎng)標(biāo)定，也可以通過(guò)可調(diào)諧濾波器實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)掃描的解調(diào)方案，解調(diào)精度和穩(wěn)定性顯著提高[9]。2018年，西安郵電大學(xué)劉睿、葛海波等人提出基于2個(gè)F-P濾波器的雙邊緣濾波器解調(diào)方案，對(duì)光纖光柵傳感器進(jìn)行解調(diào)[10]。

在常見的光纖光柵解調(diào)方法中，陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)法的優(yōu)勢(shì)是解調(diào)速度快、精度高[11-20]，但由常規(guī)的陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)法構(gòu)成的解調(diào)系統(tǒng)往往成本比較高，而且整個(gè)解調(diào)系統(tǒng)相對(duì)較大，不適宜便攜式應(yīng)用，限制了該方案的廣泛應(yīng)用。為解決這些問題，實(shí)現(xiàn)陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)系統(tǒng)的便攜化，本文提出了一種可以集成到光子集成芯片上的陣列波導(dǎo)光柵（array waveguide grating, AWG）溫度解調(diào)方案。

1 光纖光柵溫度增敏封裝

FBG是一種基于光纖的無(wú)源器件，其光纖纖芯處的折射率產(chǎn)生了永久性周期變化。當(dāng)FBG里通過(guò)一束寬帶光時(shí)，其入射端口將會(huì)反射回特定波長(zhǎng)的光波，光波的中心波長(zhǎng)與光柵結(jié)構(gòu)的有效折射率有關(guān)。

當(dāng)傳感器外部的某些物理環(huán)境（比如：PH值、壓力、溫度等）改變時(shí)，F(xiàn)BG反射回的光的中心波長(zhǎng)也會(huì)產(chǎn)生一定變化，在FBG輸入端，通過(guò)檢測(cè)反射光中心波長(zhǎng)的變化程度可以間接分析出外部物理環(huán)境的變化。

根據(jù)耦合模理論，F(xiàn)BG內(nèi)通過(guò)一束寬帶光時(shí)，滿足布拉格條件的光反射回輸入端，反射的中心波長(zhǎng)表達(dá)式為

式中：λB表示反射光中心波長(zhǎng)；Λ表示FBG的柵格周期；neff表示纖芯部分有效折射率。對(duì)等式兩邊分別進(jìn)行微分計(jì)算：

式中ΔΛ表示柵格周期變化程度。根據(jù)（2）式，光柵部分的物理或者機(jī)械特性的變化會(huì)影響反射光中心波長(zhǎng)λB。例如，根據(jù)彈光效應(yīng)，在垂直光傳播方向施加應(yīng)力，會(huì)改變材料的介電常數(shù)。FBG的柵格周期Λ和纖芯有效折射率neff會(huì)受到光纖上應(yīng)變影響而發(fā)生變化。根據(jù)熱光效應(yīng)，溫度的變化會(huì)引起分子排列變化，從而造成光學(xué)性質(zhì)的變化。纖芯有效折射率neff會(huì)受到溫度影響，而纖芯有效折射率與柵格周期均會(huì)引起反射光中心波長(zhǎng)λB的偏移。

本文采用丙烯腈、丁二烯、苯乙烯3種單體的三元共聚物對(duì)裸光纖光柵進(jìn)行增敏封裝，封裝后的尺寸為（25×4×2）mm，如圖1所示。

圖1 光纖光柵傳感器溫度增敏封裝示意圖Fig.1 Schematic diagram of temperature sensitization package for fiber grating sensor

為檢測(cè)溫度增敏效果，使用美國(guó)MOI公司生產(chǎn)的SM130光纖光柵傳感解調(diào)儀對(duì)光纖光柵傳感器反射波長(zhǎng)隨溫度的變化進(jìn)行檢測(cè)。該設(shè)備的波長(zhǎng)解調(diào)范圍為1 520 nm～1 590 nm，更具有小于1 pm的波長(zhǎng)分辨率。為了能使光柵受熱均勻可控，本實(shí)驗(yàn)采用了加熱臺(tái)加熱測(cè)溫的方法。

將光纖光柵傳感器直接緊貼在加熱臺(tái)上，通過(guò)控制加熱臺(tái)溫度連續(xù)變化，可改變光纖光柵傳感器所處的溫度，溫度每變化0.5 ℃記錄一次數(shù)值。實(shí)驗(yàn)中傳感器設(shè)定的測(cè)溫范圍為34 ℃～45 ℃。實(shí)驗(yàn)用的 FBG 在26 ℃ 時(shí)反射譜的中心波長(zhǎng)為1 550.656 8 nm，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制的溫度與反射譜中 心波長(zhǎng)的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 封裝前后溫度與中心波長(zhǎng)的關(guān)系曲線Fig.2 Curves of relationship between temperature and central wavelength before and after package

在進(jìn)行聚合物增敏封裝前，裸光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)僅為7.3 pm/℃，封裝后溫度靈敏度系數(shù)達(dá)到53.4 pm/℃，靈敏度系數(shù)大大增加，達(dá)到了對(duì)FBG的溫度增敏封裝。

聚合物封裝進(jìn)行溫度增敏的原理是作為襯底材料的聚合物線性熱膨脹系數(shù)比光纖光柵的熱膨脹系數(shù)大，外界溫度升高時(shí)，聚合物材料的膨脹程度要大于光柵的膨脹程度，由于聚合物與光柵固定在了一起，光柵在自身溫度變化的基礎(chǔ)上還會(huì)受到來(lái)自聚合物材料的軸向拉力，因此，F(xiàn)BG反射光中心波長(zhǎng)的偏移是溫度和軸向拉力雙重作用下的結(jié)果，從而大大增加了傳感器的溫度靈敏度系數(shù)。

2 AWG解調(diào)光路與邊緣濾波解調(diào)原理

陣列波導(dǎo)光柵邊緣解調(diào)系統(tǒng)的光路主要是由窄帶光源垂直腔面發(fā)射激光器（vertical-cavity surfaceemitting laser，VCSEL）光源發(fā)射單縱激光光源，經(jīng)多模干涉（multi-mode interference，MMI）耦合器進(jìn)行分光，一束進(jìn)入外部FBG傳感器，進(jìn)入FBG的光會(huì)有部分反射回來(lái)進(jìn)入光耦合器，通過(guò)AWG輸出至光電探測(cè)器陣列和解調(diào)電路，最終轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸入信號(hào)處理單元。AWG解調(diào)系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 AWG解調(diào)系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of arrayed wave-guide gratingdemodulation system

本文提出的邊緣濾波和AWG相結(jié)合的解調(diào)方案，是以VCSEL作為輸入光源，實(shí)現(xiàn)人體體溫信息的檢測(cè)。寬帶光源做輸入的光纖布拉格光柵傳感器的反射譜帶寬為180 pm，而VCSEL光源的3 dB帶寬僅有20 pm，這就使得在VCSEL光源的前提下，無(wú)法得到完整的布拉格光柵反射譜，故結(jié)合邊緣濾波解調(diào)法原理，利用光纖布拉格光柵對(duì)不同波長(zhǎng)的選擇性，進(jìn)而反應(yīng)到反射光的強(qiáng)弱變化。為避免FBG反射譜平頂部分對(duì)解調(diào)精度的影響，初始狀態(tài)FBG反射譜中心波長(zhǎng)會(huì)略小于光源中心波長(zhǎng)，盡量取其傾斜部分。由于VCSEL光源能量集中，F(xiàn)BG反射譜中心波長(zhǎng)會(huì)與光源中心波長(zhǎng)基本保持一致，因此本解調(diào)方案著重于光強(qiáng)的變化。反射譜情況如圖4（a）所示，實(shí)線為VCSEL光譜，虛線為FBG反射譜。當(dāng)傳感器外部溫度降低時(shí)，F(xiàn)BG反射譜的中心波長(zhǎng)會(huì)向左移動(dòng)，但VCSEL的中心波長(zhǎng)保持不變。由于光源中心波長(zhǎng)所處的位置FBG反射率發(fā)生變化，所以FBG的反射光中心波長(zhǎng)不變，光強(qiáng)變?nèi)酰鐖D4（b）所示，實(shí)線表示降溫前的反射光譜，虛線表示降溫后的反射光譜?？梢钥闯?，由于外界溫度降低，F(xiàn)BG反射譜中心波長(zhǎng)偏移，VCSEL下FBG反射譜幅度變小，對(duì)應(yīng)的反射光光強(qiáng)變?nèi)??？梢酝ㄟ^(guò)FBG的反射光強(qiáng)分析出FBG中心波長(zhǎng)的變化情況，進(jìn)而推算出傳感器周圍的溫度情況，獲得外界溫度信息。由于FBG反射光譜范圍只跟VCSEL的選擇有關(guān)，故而可以選擇不同波段的VCSEL陣列，對(duì)應(yīng)多個(gè)FBG傳感器。利用陣列波導(dǎo)光柵的波分復(fù)用功能，將不同波段的VCSEL光置于不同的AWG通道中，使其互不干擾，如圖4（c）所示，實(shí)線為AWG通道輸出譜，虛線為FBG反射譜。加入AWG可以實(shí)現(xiàn)多傳感器同時(shí)測(cè)溫。

圖4 窄帶光源下AWG解調(diào)示意圖Fig.4 Schematic diagram of arrayed wave-guide grating demodulation with narrow-band light source

3 基于AWG的邊緣濾波解調(diào)方案

解調(diào)電路的輸入信號(hào)是光路部分AWG對(duì)應(yīng)通道輸出的光信號(hào)，信號(hào)流經(jīng)光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，光電探測(cè)器在接收到光信號(hào)后，由于光電效應(yīng)會(huì)使得光電探測(cè)器內(nèi)部的PIN結(jié)產(chǎn)生電流，產(chǎn)生電流的大小主要取決于輸入光信號(hào)的光強(qiáng)。光電探測(cè)的電流信號(hào)首先經(jīng)過(guò)I/V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)放大電路將轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)放大，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，放大后的電壓信號(hào)又經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采集為數(shù)字信號(hào)，后級(jí)的信號(hào)處理單元就可以直接對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。

I/V轉(zhuǎn)換電路的主要功能是將來(lái)自光電探測(cè)器的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。光電探測(cè)器的輸入信號(hào)為光信號(hào)，輸出信號(hào)為電流信號(hào)，AD采集芯片無(wú)法直接對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行采集，因此需要一個(gè)轉(zhuǎn)換電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。在本電路中選用AD825芯片搭建光伏模式電路，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。初始的轉(zhuǎn)換電壓是十分微弱的，這對(duì)后面的電壓采集帶來(lái)很大困難，因此需要對(duì)初始轉(zhuǎn)換電壓進(jìn)行放大，但也要求其波動(dòng)范圍不超過(guò)AD采集的最大量程。初始的轉(zhuǎn)換電壓一般是負(fù)電壓，電壓放大電路無(wú)法改變電壓的正負(fù)性，實(shí)驗(yàn)中選用的AD也無(wú)法采集負(fù)電壓，因此需要在后級(jí)再添加一個(gè)加法電路，將電壓處理為正電壓，供給AD采集。本文選用LF353，其具有雙路通用JFET輸入運(yùn)算放大器，輸入放大級(jí)是由2只P溝道JEFT組成的共源級(jí)差分電路，并且用鏡像恒流源做負(fù)載來(lái)提高增益，供電電壓為±5 V。通過(guò)AD825輸出的負(fù)電壓小信號(hào)首先經(jīng)過(guò)一級(jí)放大電路將信號(hào)放大，然后再通過(guò)加法電路將電壓抬升至正值。在放大電路和加法電路中，各通過(guò)一個(gè)滑動(dòng)變阻器進(jìn)行輸出調(diào)節(jié)，改變電路的放大倍數(shù)以及抬升幅值，使其可以滿足后續(xù)AD采集的工作需求，解調(diào)電路整體框圖如圖5所示。

圖5 解調(diào)電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Block diagram of demodulation circuit structure

為檢測(cè)解調(diào)電路性能，通過(guò)改變外部輸入的光強(qiáng)值，觀測(cè)解調(diào)電路輸出的電壓值，記錄并繪制曲線如圖6所示。

圖6 光功率與輸出電壓關(guān)系曲線Fig.6 Curves of relationship between optical power and output voltage

隨著外部輸入光強(qiáng)的增強(qiáng)，解調(diào)光路輸出電壓值也隨之增大，使用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到一個(gè)二次函數(shù)多項(xiàng)式，與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比，擬合的多項(xiàng)式準(zhǔn)確率可達(dá)99.96%，其函數(shù)表達(dá)式為

4 溫度解調(diào)實(shí)驗(yàn)

對(duì)光纖光柵傳感器進(jìn)行溫度解調(diào)，窄帶光源通過(guò)MMI耦合器進(jìn)入FBG傳感器，F(xiàn)BG傳感器會(huì)將部分光反射回來(lái)，通過(guò)MMI耦合器傳輸至AWG。本實(shí)驗(yàn)中使用的是8通道的AWG，輸出波長(zhǎng)在1 543.70 nm～1 561.7 nm之間。8個(gè)輸出通道的中心波長(zhǎng)分別為1 543.7 nm、1 546.6 nm、1 550.1 nm、1 553.0 nm、1 554.0 nm、1 556.8 nm、1 558.9 nm、1 561.7 nm，通道間隔約為2.9 nm，陣列波導(dǎo)光柵輸出譜如圖7所示。寬帶光進(jìn)入陣列波導(dǎo)光柵后通過(guò)對(duì)應(yīng)的通道輸出至光功率計(jì)，測(cè)得FBG反射譜的光強(qiáng)值。如圖8所示，隨著FBG反射譜的偏移，光功率計(jì)示數(shù)也會(huì)隨之變化。

圖7 陣列波導(dǎo)光柵輸出譜Fig.7 Output spectrum of arrayed wave-guide grating

圖8 光源與FBG反射光譜圖Fig.8 Diagram of light source and FBG reflection spectrum

通過(guò)實(shí)驗(yàn)記錄加熱臺(tái)溫度與光功率顯示光強(qiáng)值之間的關(guān)系，繪制關(guān)系曲線如圖9所示。在設(shè)定溫度范圍內(nèi)，傳感器反射譜光功率單調(diào)增加，從圖9中可以觀測(cè)到溫度與光功率基本呈線性變化，當(dāng)擬合函數(shù)為三元函數(shù)時(shí)其擬合準(zhǔn)確率可以達(dá)到99.90%，其擬合方程為

圖9 溫度與反射譜功率關(guān)系曲線Fig.9 Curves of relationship between temperature and reflection spectrum power

將解調(diào)電路加入解調(diào)系統(tǒng)，代替光功率計(jì)部分，每0.1 ℃記錄一次數(shù)據(jù)，隨著FBG所處溫度的變化，解調(diào)電路輸出的電壓值也隨之變化，記錄并繪制溫度與光強(qiáng)的關(guān)系曲線如圖10所示。

圖10 溫度與輸出電壓關(guān)系曲線Fig.10 Curves of relationship between temperature and output voltage

在設(shè)定溫度范圍內(nèi)，解調(diào)電路輸出電壓?jiǎn)握{(diào)增加，溫度與輸出電壓之間的關(guān)系呈三次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系，與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，擬合函數(shù)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率可達(dá)99.80%，其函數(shù)表達(dá)式為

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，F(xiàn)BG測(cè)量外界溫度和解調(diào)電路的輸出電壓基本保持線性關(guān)系，解調(diào)光路的輸出電壓可以通過(guò)換算得出FBG測(cè)量的溫度，實(shí)現(xiàn)光纖光柵測(cè)溫的目的。

將植入織物后的溫度傳感器置于加熱臺(tái)上，通過(guò)改變加熱臺(tái)的溫度改變溫度傳感器周圍的環(huán)境溫度，從35 ℃升至42 ℃，每0.5 ℃記錄一次，經(jīng)過(guò)解調(diào)系統(tǒng)獲得輸出電壓，根據(jù)（5）式逆推出計(jì)算溫度，與實(shí)際溫度作比較，如圖11所示為升溫時(shí)溫度與輸出電壓的關(guān)系曲線圖。將實(shí)際溫度與計(jì)算溫度對(duì)比，計(jì)算出實(shí)驗(yàn)誤差，可以觀測(cè)到升溫過(guò)程中，溫度誤差最大不會(huì)超過(guò)0.1 ℃。

圖11 升溫時(shí)溫度與電壓的關(guān)系曲線Fig.11 Curves of relationship between temperature and voltage during temperature rise

改變加熱臺(tái)的溫度，對(duì)其進(jìn)行降溫實(shí)驗(yàn)，從42 ℃降至35 ℃，每0.5 ℃記錄一次，經(jīng)過(guò)解調(diào)系統(tǒng)獲得輸出電壓，根據(jù)（5）式逆推出計(jì)算溫度，與實(shí)際溫度作比較，如圖12所示為降溫時(shí)溫度與輸出電壓的關(guān)系曲線圖。將實(shí)際溫度與計(jì)算溫度作對(duì)比，計(jì)算出實(shí)驗(yàn)誤差，可以觀測(cè)到降溫過(guò)程中，溫度誤差最大不會(huì)超過(guò)0.1 ℃。結(jié)合升溫和降溫實(shí)驗(yàn)，可以得出整個(gè)解調(diào)系統(tǒng)溫度檢測(cè)精度可達(dá)±0.1 ℃。

圖12 降溫時(shí)溫度與電壓的關(guān)系曲線Fig.12 Curves of relationship between temperature and voltage during temperature reduction

將2個(gè)溫度傳感器串聯(lián)接入陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)系統(tǒng)，使用2個(gè)VCSEL作為光源，每個(gè)光源對(duì)應(yīng)一個(gè)溫度傳感器，傳感器的反射光分別通過(guò)陣列波導(dǎo)光柵不同通道輸出至光電探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)中將串聯(lián)的傳感器陣列放于加熱臺(tái)上，控制加熱臺(tái)溫度，分別記錄解調(diào)電路計(jì)算得出溫度值，與實(shí)際溫度進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

圖13 多傳感器測(cè)試結(jié)果Fig.13 Test results of multi-sensor

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，傳感器測(cè)量的溫度與實(shí)際溫度依然保持著0.1 ℃內(nèi)的誤差，說(shuō)明解調(diào)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多傳感同時(shí)測(cè)量。將陣列波導(dǎo)光柵加入解調(diào)系統(tǒng)后，不改變解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，僅通過(guò)增加光源的數(shù)量和傳感器數(shù)量，即可以實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量。

5 結(jié)論

本文提出的以窄帶光源為輸入光源，采用邊緣濾波和陣列波導(dǎo)光柵相結(jié)合的解調(diào)方案，通過(guò)對(duì)傳感器溫度信號(hào)進(jìn)行解調(diào)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，波長(zhǎng)解調(diào)范圍為1 543.70 nm～1 561.7 nm，溫度測(cè)量誤差為±0.1 ℃，因傳感器的溫度靈敏度為53.4 pm/℃，所以波長(zhǎng)解調(diào)精度為±5.34 pm。通過(guò)陣列波導(dǎo)光柵的波分復(fù)用功能，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)光纖光柵同時(shí)測(cè)量，采集多個(gè)光纖光柵傳感器的信息，實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量。例如使用1×8的AWG陣列波導(dǎo)光柵，就可以實(shí)現(xiàn)8個(gè)傳感器同時(shí)測(cè)量。將陣列波導(dǎo)光柵和MMI耦合器集成到光子集成芯片上，可以大大降低解調(diào)系統(tǒng)的尺寸。本文的研究為硅基光子集成技術(shù)的應(yīng)用提供了一定助力，也將進(jìn)一步推動(dòng)光纖光柵傳感在可穿戴化應(yīng)用中的進(jìn)程。