基于阵列波导光栅的边缘滤波温度解调系统

李鸿强，王润洁，张美玲，高 倩，张 赛，宋文超，毛泉桦，李恩邦，Juan Daniel Prades Garcia

（1.天津工业大学 电气与电子工程学院，天津 300387；2.天津工业大学 纺织科学与工程学院，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

使用光纤传输光信号这一想法是由美籍华人高锟博士提出来的，自此，光纤开始应用于光纤通信和光学传感领域。加拿大K.Hill等学者在实验室观测到光纤的折射率可以通过特定波段的光照射的方式产生永久性改变，这一现象让他们意识到可以据此来制作光纤光栅（fiber Bragg grating，FBG），这也标志着光纤光栅研究的开始。光纤光栅解调法主要分为非平衡M-Z干涉仪法、可调谐F-P（Fabry-Perot）滤波解调法、边缘滤波解调法、匹配光栅滤波法[1-2]和阵列波导光栅解调法[3-4]等。1995年，美国海军研究实验室A.D.kersey 等人将4个光栅作为一个阵列，解调系统中加入可调FP滤波器，最终，整个解调系统具有±3 με的应变分辨率[5]。2007年，天津大学刘铁根等人为了简化解调系统结构，提高解调设备的的实用化程度，研究出了一种便携式解调方案，实现波长的解调[6]。为了进一步拓宽光纤光栅应变传感器的测量范围，2009年，西安石油大学的乔学光等人采用边缘滤波解调法[7]，将测量范围提升至2500 με。2013年，华北电力大学的刘玮在传统解调方法的基础上，基于F-P滤波器法进行了改进，一定程度上提高了解调速度和精度[8]。2016年，中国船舶重工集团公司刘鹏飞、郝凤欢等人将标准具引入解调方案，设计了一种可以进行波长标定，也可以通过可调谐滤波器实现波长扫描的解调方案，解调精度和稳定性显著提高[9]。2018年，西安邮电大学刘睿、葛海波等人提出基于2个F-P滤波器的双边缘滤波器解调方案，对光纤光栅传感器进行解调[10]。

在常见的光纤光栅解调方法中，阵列波导光栅解调法的优势是解调速度快、精度高[11-20]，但由常规的阵列波导光栅解调法构成的解调系统往往成本比较高，而且整个解调系统相对较大，不适宜便携式应用，限制了该方案的广泛应用。为解决这些问题，实现阵列波导光栅解调系统的便携化，本文提出了一种可以集成到光子集成芯片上的阵列波导光栅（array waveguide grating, AWG）温度解调方案。

1 光纤光栅温度增敏封装

FBG是一种基于光纤的无源器件，其光纤纤芯处的折射率产生了永久性周期变化。当FBG里通过一束宽带光时，其入射端口将会反射回特定波长的光波，光波的中心波长与光栅结构的有效折射率有关。

当传感器外部的某些物理环境（比如：PH值、压力、温度等）改变时，FBG反射回的光的中心波长也会产生一定变化，在FBG输入端，通过检测反射光中心波长的变化程度可以间接分析出外部物理环境的变化。

根据耦合模理论，FBG内通过一束宽带光时，满足布拉格条件的光反射回输入端，反射的中心波长表达式为

式中：λB表示反射光中心波长；Λ表示FBG的栅格周期；neff表示纤芯部分有效折射率。对等式两边分别进行微分计算：

式中ΔΛ表示栅格周期变化程度。根据（2）式，光栅部分的物理或者机械特性的变化会影响反射光中心波长λB。例如，根据弹光效应，在垂直光传播方向施加应力，会改变材料的介电常数。FBG的栅格周期Λ和纤芯有效折射率neff会受到光纤上应变影响而发生变化。根据热光效应，温度的变化会引起分子排列变化，从而造成光学性质的变化。纤芯有效折射率neff会受到温度影响，而纤芯有效折射率与栅格周期均会引起反射光中心波长λB的偏移。

本文采用丙烯腈、丁二烯、苯乙烯3种单体的三元共聚物对裸光纤光栅进行增敏封装，封装后的尺寸为（25×4×2）mm，如图1所示。

图1 光纤光栅传感器温度增敏封装示意图Fig.1 Schematic diagram of temperature sensitization package for fiber grating sensor

为检测温度增敏效果，使用美国MOI公司生产的SM130光纤光栅传感解调仪对光纤光栅传感器反射波长随温度的变化进行检测。该设备的波长解调范围为1 520 nm～1 590 nm，更具有小于1 pm的波长分辨率。为了能使光栅受热均匀可控，本实验采用了加热台加热测温的方法。

将光纤光栅传感器直接紧贴在加热台上，通过控制加热台温度连续变化，可改变光纤光栅传感器所处的温度，温度每变化0.5 ℃记录一次数值。实验中传感器设定的测温范围为34 ℃～45 ℃。实验用的 FBG 在26 ℃ 时反射谱的中心波长为1 550.656 8 nm，由实验结果绘制的温度与反射谱中 心波长的关系曲线如图2所示。

图2 封装前后温度与中心波长的关系曲线Fig.2 Curves of relationship between temperature and central wavelength before and after package

在进行聚合物增敏封装前，裸光纤光栅的温度灵敏度系数仅为7.3 pm/℃，封装后温度灵敏度系数达到53.4 pm/℃，灵敏度系数大大增加，达到了对FBG的温度增敏封装。

聚合物封装进行温度增敏的原理是作为衬底材料的聚合物线性热膨胀系数比光纤光栅的热膨胀系数大，外界温度升高时，聚合物材料的膨胀程度要大于光栅的膨胀程度，由于聚合物与光栅固定在了一起，光栅在自身温度变化的基础上还会受到来自聚合物材料的轴向拉力，因此，FBG反射光中心波长的偏移是温度和轴向拉力双重作用下的结果，从而大大增加了传感器的温度灵敏度系数。

2 AWG解调光路与边缘滤波解调原理

阵列波导光栅边缘解调系统的光路主要是由窄带光源垂直腔面发射激光器（vertical-cavity surfaceemitting laser，VCSEL）光源发射单纵激光光源，经多模干涉（multi-mode interference，MMI）耦合器进行分光，一束进入外部FBG传感器，进入FBG的光会有部分反射回来进入光耦合器，通过AWG输出至光电探测器阵列和解调电路，最终转化为电压信号输入信号处理单元。AWG解调系统框图如图3所示。

图3 AWG解调系统框图Fig.3 Block diagram of arrayed wave-guide gratingdemodulation system

本文提出的边缘滤波和AWG相结合的解调方案，是以VCSEL作为输入光源，实现人体体温信息的检测。宽带光源做输入的光纤布拉格光栅传感器的反射谱带宽为180 pm，而VCSEL光源的3 dB带宽仅有20 pm，这就使得在VCSEL光源的前提下，无法得到完整的布拉格光栅反射谱，故结合边缘滤波解调法原理，利用光纤布拉格光栅对不同波长的选择性，进而反应到反射光的强弱变化。为避免FBG反射谱平顶部分对解调精度的影响，初始状态FBG反射谱中心波长会略小于光源中心波长，尽量取其倾斜部分。由于VCSEL光源能量集中，FBG反射谱中心波长会与光源中心波长基本保持一致，因此本解调方案着重于光强的变化。反射谱情况如图4（a）所示，实线为VCSEL光谱，虚线为FBG反射谱。当传感器外部温度降低时，FBG反射谱的中心波长会向左移动，但VCSEL的中心波长保持不变。由于光源中心波长所处的位置FBG反射率发生变化，所以FBG的反射光中心波长不变，光强变弱，如图4（b）所示，实线表示降温前的反射光谱，虚线表示降温后的反射光谱。可以看出，由于外界温度降低，FBG反射谱中心波长偏移，VCSEL下FBG反射谱幅度变小，对应的反射光光强变弱。可以通过FBG的反射光强分析出FBG中心波长的变化情况，进而推算出传感器周围的温度情况，获得外界温度信息。由于FBG反射光谱范围只跟VCSEL的选择有关，故而可以选择不同波段的VCSEL阵列，对应多个FBG传感器。利用阵列波导光栅的波分复用功能，将不同波段的VCSEL光置于不同的AWG通道中，使其互不干扰，如图4（c）所示，实线为AWG通道输出谱，虚线为FBG反射谱。加入AWG可以实现多传感器同时测温。

图4 窄带光源下AWG解调示意图Fig.4 Schematic diagram of arrayed wave-guide grating demodulation with narrow-band light source

3 基于AWG的边缘滤波解调方案

解调电路的输入信号是光路部分AWG对应通道输出的光信号，信号流经光电探测器实现光信号转换为电信号，光电探测器在接收到光信号后，由于光电效应会使得光电探测器内部的PIN结产生电流，产生电流的大小主要取决于输入光信号的光强。光电探测的电流信号首先经过I/V转换电路转换成电压信号，然后经过放大电路将转换后的电压信号放大，实现光信号转换为电压信号，放大后的电压信号又经过模数转换电路采集为数字信号，后级的信号处理单元就可以直接对转换后的数字信号进行处理。

I/V转换电路的主要功能是将来自光电探测器的电流信号转换为电压信号。光电探测器的输入信号为光信号，输出信号为电流信号，AD采集芯片无法直接对电流信号进行采集，因此需要一个转换电路将电流信号转换为电压信号。在本电路中选用AD825芯片搭建光伏模式电路，将电流信号转换为电压信号。初始的转换电压是十分微弱的，这对后面的电压采集带来很大困难，因此需要对初始转换电压进行放大，但也要求其波动范围不超过AD采集的最大量程。初始的转换电压一般是负电压，电压放大电路无法改变电压的正负性，实验中选用的AD也无法采集负电压，因此需要在后级再添加一个加法电路，将电压处理为正电压，供给AD采集。本文选用LF353，其具有双路通用JFET输入运算放大器，输入放大级是由2只P沟道JEFT组成的共源级差分电路，并且用镜像恒流源做负载来提高增益，供电电压为±5 V。通过AD825输出的负电压小信号首先经过一级放大电路将信号放大，然后再通过加法电路将电压抬升至正值。在放大电路和加法电路中，各通过一个滑动变阻器进行输出调节，改变电路的放大倍数以及抬升幅值，使其可以满足后续AD采集的工作需求，解调电路整体框图如图5所示。

图5 解调电路结构框图Fig.5 Block diagram of demodulation circuit structure

为检测解调电路性能，通过改变外部输入的光强值，观测解调电路输出的电压值，记录并绘制曲线如图6所示。

图6 光功率与输出电压关系曲线Fig.6 Curves of relationship between optical power and output voltage

随着外部输入光强的增强，解调光路输出电压值也随之增大，使用最小二乘法进行数据拟合，得到一个二次函数多项式，与实际数据对比，拟合的多项式准确率可达99.96%，其函数表达式为

4 温度解调实验

对光纤光栅传感器进行温度解调，窄带光源通过MMI耦合器进入FBG传感器，FBG传感器会将部分光反射回来，通过MMI耦合器传输至AWG。本实验中使用的是8通道的AWG，输出波长在1 543.70 nm～1 561.7 nm之间。8个输出通道的中心波长分别为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，通道间隔约为2.9 nm，阵列波导光栅输出谱如图7所示。宽带光进入阵列波导光栅后通过对应的通道输出至光功率计，测得FBG反射谱的光强值。如图8所示，随着FBG反射谱的偏移，光功率计示数也会随之变化。

图7 阵列波导光栅输出谱Fig.7 Output spectrum of arrayed wave-guide grating

图8 光源与FBG反射光谱图Fig.8 Diagram of light source and FBG reflection spectrum

通过实验记录加热台温度与光功率显示光强值之间的关系，绘制关系曲线如图9所示。在设定温度范围内，传感器反射谱光功率单调增加，从图9中可以观测到温度与光功率基本呈线性变化，当拟合函数为三元函数时其拟合准确率可以达到99.90%，其拟合方程为

图9 温度与反射谱功率关系曲线Fig.9 Curves of relationship between temperature and reflection spectrum power

将解调电路加入解调系统，代替光功率计部分，每0.1 ℃记录一次数据，随着FBG所处温度的变化，解调电路输出的电压值也随之变化，记录并绘制温度与光强的关系曲线如图10所示。

图10 温度与输出电压关系曲线Fig.10 Curves of relationship between temperature and output voltage

在设定温度范围内，解调电路输出电压单调增加，温度与输出电压之间的关系呈三次多项式函数关系，与实际测试数据对比，拟合函数的数据准确率可达99.80%，其函数表达式为

实验结果显示，在实验温度范围内，FBG测量外界温度和解调电路的输出电压基本保持线性关系，解调光路的输出电压可以通过换算得出FBG测量的温度，实现光纤光栅测温的目的。

将植入织物后的温度传感器置于加热台上，通过改变加热台的温度改变温度传感器周围的环境温度，从35 ℃升至42 ℃，每0.5 ℃记录一次，经过解调系统获得输出电压，根据（5）式逆推出计算温度，与实际温度作比较，如图11所示为升温时温度与输出电压的关系曲线图。将实际温度与计算温度对比，计算出实验误差，可以观测到升温过程中，温度误差最大不会超过0.1 ℃。

图11 升温时温度与电压的关系曲线Fig.11 Curves of relationship between temperature and voltage during temperature rise

改变加热台的温度，对其进行降温实验，从42 ℃降至35 ℃，每0.5 ℃记录一次，经过解调系统获得输出电压，根据（5）式逆推出计算温度，与实际温度作比较，如图12所示为降温时温度与输出电压的关系曲线图。将实际温度与计算温度作对比，计算出实验误差，可以观测到降温过程中，温度误差最大不会超过0.1 ℃。结合升温和降温实验，可以得出整个解调系统温度检测精度可达±0.1 ℃。

图12 降温时温度与电压的关系曲线Fig.12 Curves of relationship between temperature and voltage during temperature reduction

将2个温度传感器串联接入阵列波导光栅解调系统，使用2个VCSEL作为光源，每个光源对应一个温度传感器，传感器的反射光分别通过阵列波导光栅不同通道输出至光电探测器，经解调电路进行数据采集。实验中将串联的传感器阵列放于加热台上，控制加热台温度，分别记录解调电路计算得出温度值，与实际温度进行比较。实验结果如图13所示。

图13 多传感器测试结果Fig.13 Test results of multi-sensor

实验结果显示，传感器测量的温度与实际温度依然保持着0.1 ℃内的误差，说明解调系统可以实现多传感同时测量。将阵列波导光栅加入解调系统后，不改变解调系统结构，仅通过增加光源的数量和传感器数量，即可以实现分布式测量。

5 结论

本文提出的以窄带光源为输入光源，采用边缘滤波和阵列波导光栅相结合的解调方案，通过对传感器温度信号进行解调实验，实验结果表明，波长解调范围为1 543.70 nm～1 561.7 nm，温度测量误差为±0.1 ℃，因传感器的温度灵敏度为53.4 pm/℃，所以波长解调精度为±5.34 pm。通过阵列波导光栅的波分复用功能，可以实现多个光纤光栅同时测量，采集多个光纤光栅传感器的信息，实现分布式测量。例如使用1×8的AWG阵列波导光栅，就可以实现8个传感器同时测量。将阵列波导光栅和MMI耦合器集成到光子集成芯片上，可以大大降低解调系统的尺寸。本文的研究为硅基光子集成技术的应用提供了一定助力，也将进一步推动光纤光栅传感在可穿戴化应用中的进程。