CN101876573B - 一种基于阵列波导光栅的温度传感方法以及温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于温度测量技术领域，公开了一种基于阵列波导光栅的温度传感器，本发明通过给一个作为温度传感探测元件的至少有两个输出通道的阵列波导光栅输入一个单波长的激光，通过监测阵列波导光栅两个输出通道的光强来获得其环境的温度值，从而实现温度传感的目的。本发明同时提供一种使用上述传感器实现的温度传感方法。本发明相对其它的光纤传感器而言，具有不受激光器功率波动或频率飘移的影响，具有比较高的精度。本发明可以用于存在较强的电磁干扰等各种环境下的温度监测、监控或火灾预防。

Description

一种基于阵列波导光栅的温度传感方法以及温度传感器

技术领域

本发明属于温度测量技术领域，具体涉及一种基于阵列波导光栅的温度传感器。

背景技术

在各种强电磁环境下、一些不能有电流存在的区域、或需要远距离温度传感的条件下：比如电厂、变电站、油库的温度监控，以及森林火灾的监控等，基于光学的温度传感技术的传感器以其抗电磁干扰、传感元件不会有电流通过、信号长距离传输损耗小的特点而得到广泛应用。

目前应用较多的是基于光纤光栅的温度传感器，传感原理是光纤光栅的反射光谱中心波长随环境温度变化而变化，通过具有光谱分析仪功能的温度传感控制仪对光纤光栅的反射光谱进行分析从而得到温度的信息，该方法的缺点是温度传感控制仪成本较高。美国专利6024488批露了一种基于双光纤光栅的温度传感器，其原理是通过分析两个光谱随环境温度变化规律不同的光栅的反射光谱同时计算出激光器波长与环境温度，该方法缺点是激光器的功率变化会影响温度传感精度，而且需要加工两种不同热光系数的光纤光栅、对光纤光栅的反射光谱要有准确的计算或测试，这样生产成本较高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的问题和不足，提供一种工艺简单易于实现，测量精度较高的温度传感器。本发明的温度传感器可以实现在各种强电磁环境下、一些不能有电流存在的区域、或需要远距离温度传感的条件下的温度传感，且克服了传统光纤光栅型温度传感器精度受激光器波长漂移或功率变化的影响的缺点。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于阵列波导光栅的温度传感器，包括温度传感器控制仪和至少一个测温用阵列波导光栅解复用器、所述的温度传感器控制仪包括激光器、测温用光强探测器，计算单元，其中，

所述的激光器输出的光传输至测温用阵列波导光栅；

所述的阵列波导光栅解复用器包括一个输入波导、至少两个输出波导、前平板波导、后平板波导和连接在两个平板波导之间的阵列波导，所述的阵列波导中任意相邻的两个波导长度差恒定，所述输入波导连接在激光器和前平板波导之间；

阵列波导中的光在经过阵列波导和后平板波导后，在后平板波导的端部形成干涉图样，所述的每个输出波导接在后平板波导输出端的不同位置点上，各个不同位置点设在不同波长的光干涉的最强点；

测温用光强探测器用于检测各个输出波导输出的光的光强，其输出被送入计算单元，由计算单元根据不同输出波导的输出光强计算测温用阵列波导光栅解复用器所在的区域的环境温度。

作为优选实施方式，所述的激光器为单波长激光器，所述的温度传感器控制仪还包括耦合器、校正用阵列波导光栅解复用器和校正用的光强探测器；所述的校正用阵列波导光栅解复用器的中心波长不随外界环境温度的变化而变化；所述激光器输出的光经过耦合器分束后，分别输送至测温用阵列波导光栅解复用器和校正用阵列波导光栅解复用器，所述的校正用阵列波导光栅解复用器与测温用阵列波导光栅解复用器结构相同，其各个输出波导输出光的光强由校正用光强探测器检测；由计算单元根据校正用光强探测器检测的不同输出波导的输出光强计算监测激光器波长的漂移值并对测温用阵列波导光栅解复用器所在的区域的环境温度的计算值进行修正；通过恒温加热的方式使所述的校正用阵列波导光栅解复用器置于高于环境温度的恒温温度环境中；所述的测温用阵列波导光栅解复用器有两个或两个以上，每个测温用阵列波导光栅解复用器分别接收经过分束的激光器输出光，其输出通过光开关或输出耦合器分别合并到所述的测温用光强探测器上；在激光器与测温用阵列波导光栅解复用器之间连接有偏振分束器或起偏器；在激光器与校正用阵列波导光栅解复用器之间连接有偏振分束器或起偏器；各个阵列波导光栅解复用器均包括两个输出波导，所述激光器的输出光的波长介于所使用的阵列波导光栅解复用器的两个输出波导的中心波长之间。

本发明同时提供一种采用上述的温度传感器实现的基于阵列波导光栅的温度传感方法，包括下列步骤：

(1)通过如下方式获取公式T＝P(T)/ξ+T′₀中的温度无关的常数ξ与T′₀：

1)将测温用阵列波导光栅解复用器放入温度可控的实验箱中；

2)在试验箱中放入一个用以监测试验箱中的温度的标准温度计；

3)在某个任意温度T₁温度下，将两个测温用光强探测器转化的电信号相除并取对数得到值P(T₁)，再在另外一个不同的温度T₂由计算单元将两个测温用光强探测器转化的电信号相除并取对数得到值P(T₂)；

4)由ξ＝[P(T₂)-P(T₁)]/(T₂-T₁)计算出常数ξ；

5)利用P(T₁)或P(T₂)，以及计算出来的ξ，由T′₀＝T₁-P(T₁)/ξ计算出常数T′₀；(2)测量温度时，将测温用阵列波导光栅解复用器放入需要监控温度的环境下，由计算单元将两个测温用光强探测器采集的电信号相除并取对数得到值P(T)，根据T＝P(T)/ξ+T′₀算出环境温度T。

作为优选实施方式，所采用的温度传感器的激光器为单波长激光器，该温度传感器还包括耦合器、校正用阵列波导光栅解复用器和校正用的光强探测器；所述的校正用阵列波导光栅解复用器的中心波长不随外界环境温度的变化而变化；所述激光器输出的光经过耦合器分束后，分别输送至测温用阵列波导光栅解复用器和校正用阵列波导光栅解复用器，所述的校正用阵列波导光栅解复用器与测温用阵列波导光栅解复用器结构相同，其各个输出波导输出光的光强由校正用光强探测器检测，设单波长激光器的输出波长为λ_L，其漂移值为Δλ_L，对温度传感结果的修正可由如下方式确定：

1)利用可调谐激光器替代单波长激光器；

2)调节可调谐激光器的输出波长到介于校正用阵列波导光栅解复用器的两个输出通道中心波长之间的任意一个波长λ₁，将两个校正用光强探测器转化的电信号相除并取对数得到值P(λ₁)，再调节可调谐激光器的输出波长到介于校正用阵列波导光栅解复用器的两个输出通道中心波长之间的另外一个不同波长λ₂，且λ₁不等于λ₂，将两个校正用光强探测器转化的电信号相除并取对数得到值P(λ₂)；

3)由ζ＝[P(λ₂)-P(λ₁)]/(λ₂-λ₁)计算出常数ζ；

4)利用P(λ₁)，以及计算出来的ζ，由λ′_L＝λ₁-P(λ₁)/ζ计算出常数λ′_L；

5)将可调谐激光器改回单波长激光器，将测温用阵列波导光栅解复用器放入需要监控温度的环境下，将两个校正用光强探测器转化的电信号相除并取对数得到值P(λ)，由λ＝P(λ)/ζ+λ′_L算出激光器的实际波长，从而计算出波长漂移量Δλ_L＝λ-λ_L；

6)测量温度时，将测温用阵列波导光栅解复用器放入需要监控温度的环境下，将两个测温用光强探测器采集的电信号相除并取对数得到值P(T)；

7)用P＝P(T)-ξΔλ_L替换实际测得的P(T)，再由T＝P/ξ+T′₀算出环境温度。

本发明具有以下优点和积极效果：

1.适用范围广：适合于各种强电磁环境下、一些不能有电流存在的区域、或需要远距离温度传感的条件下的温度传感；

2.测试精度高：对激光器的功率变化不敏感，通过增加波长监控用阵列波导光栅解复用器可以消除激光器波长漂移对测试结果的影响，通过增加起偏器可以消除测试结果的偏振相关性；

3.成本低：采用平面波导工艺制作的阵列波导光栅具有尺寸小、可批量生产的特点，而且温度传感控制仪仅需要激光器、探测器以及微处理器、阵列波导光栅、耦合器，结构简单、成本低廉；

4.可靠性高：采用平面波导工艺制作的阵列波导光栅因无任何可动部件，可靠性高。

5、响应时间快：本发明可以实现实时的温度监控。

附图说明

图1阵列波导光栅解复用器原理图。

图2基于阵列波导光栅解复用器的温度传感器结构框图。图中，实线连接线表示光信号的传输途径，虚线连接线表示电信号的传输途径。

图3带有起偏器的阵列波导光栅解复用器。

其中：

1——激光器

2——耦合器

3——用作温度传感探测的阵列波导光栅解复用器

4、5、6、7——光强探测器

8——用作激光器波长监控的阵列波导光栅解复用器

9——微处理器

10——温度传感器控制仪

11——阵列波导光栅解复用器输入波导

12——阵列波导光栅解复用器输入平板波导

13——阵列波导光栅解复用器阵列波导

14——阵列波导光栅解复用器输出平板波导

15——阵列波导光栅解复用器输出波导

16——起偏器

17——含有多种偏振态的光

18——线偏振光

19——阵列波导光栅解复用器

图4一种一个温度传感控制仪同时监控多个温度传感探测器应用图。

其中：

20——1XN光开关

21——NX1耦合器

22——NX1耦合器

具体实施方式

基于平面波导工艺的阵列波导光栅具有与光纤光栅类似的滤波特性，在光通信技术中多用于多波长复用或解复用功能，通常有一个以上输入端与若干个输出端。阵列波导光栅基于平面波导工艺，可以在硅、石英、聚合物、铌酸锂或其它各种材料基底上用类似集成电子芯片的平面波导工艺进行制作，具有尺寸小、成本低、指标一致性好、性能可靠等特点。而且阵列波导光栅对不同波长的光具有滤波效应，其输出通道传输光谱的中心波长或峰值时的波长随环境温度的变化而变化，故可以用于温度传感。

图1所示的是一个阵列波导光栅解复用器的原理图，平板波导12将波导11和波导阵列13连接起来，平板波导14将波导15和波导阵列13连接起来。波导11可以是1根或多根，阵列波导13可以有很多根，输出波导15一股超过两根，根据设计要求选取。波导阵列中任意相邻的两个波导长度差恒定。它的波长解复用原理是：一组间隔恒定的波长分别为λ₁，λ₂的光从同一根输入波导中输入，它们在波导12中会发散，能量会分布到各个阵列波导15中，由于相邻阵列波导有一个固定的长度差，所以各个阵列波导中光在经过阵列波导到达波导14时，相邻阵列波导中的光会有一个确定的光程差，这样在通过波导14以后，在波导14和波导15连接端会形成干涉图样，不同波长的光干涉的最强点位置不同，将输出波导与平板波导15连接的位置设置在这些干涉最强点，这样不同波长的光就会从不同输出波导输出，从而实现了解复用。

具体原理是，假设光入射到输入波导中的中心波导中，可以得到光栅方程为

n_slabdsinθ+n_g·ΔL＝mλ，            (1)

其中，n_slab表示平板波导2和3的有效折射率，n_g是阵列波导的有效折射率，ΔL是相邻阵列波导的长度差，λ是入射光的波长，θ是光在3中的衍射角，m是衍射级数，为整数，而d为AWG的栅距。

式1中θ为零时波长对应的值λ₀是中心波长，其定义为

${\mathrm{\λ}}_0=\frac{n_g\mathrm{\ΔL}}{m}---\left(2\right)$

根据表达式(1)，在中心波长附近对波长λ微分就可以得到色散公式

$\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{d\λ}}=\frac{m(n_g-\mathrm{\λ}{\mathrm{dn}}_g/\mathrm{d\λ})}{{\mathrm{dn}}_{\mathrm{slab}}{n}_g}.---\left(3\right)$

根据表达式(3)，可以看到不同的波长的入射光会有不同的波前方向，那么在平板波导14上输出圆上聚焦的位置也就不同。

对于给定的阵列波导光栅解复用器衍射级数m是不随环境温度变化的常数，由于n_gΔL是随环境温度变化而变化的，一股情况下有下述的关系。

n_gΔL＝(n_gΔL)_T0(1+ξ×ΔT)，            (4)

其中(n_gΔL)_T0是温度为T₀时的n_gΔL值，是常数。而ξ是个常数，ΔT是环境温度与T₀的差。

利用阵列波导光栅解复用器的中心波长随环境温度变化而变化的特点就可以实现温度传感的目的。

一股情况下阵列波导光栅的每个输出波导的输出光强与输入光的波长成高斯型传输关系，如下：

$P_i=P_0{\mathrm{\η}}_i\exp [-4\ln 2{\left(\frac{\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_{0i}}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_i}\right)}^2],---\left(5\right)$

其中P₀是输入阵列波导光栅解复用器的激光光功率；η_i是第i通道的衰减，为常数；Δλ_i是第i通道的光谱半宽；λ_0i为第i通道的光谱的中心波长。

对于两个相邻的输出通道而言，i＝1，2，有Δλ₁＝Δλ₂＝Δλ，则对此两个通道的输出光经过探测器转换后的电信号进行除法与对数运算后有如下结果：

$P=\ln \frac{P_1}{P_2}=\ln \frac{{\mathrm{\η}}_1}{{\mathrm{\η}}_2}+[-4\ln 2{\left(\frac{\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_{01}}{\mathrm{\Δ\λ}}\right)}^2+4\ln 2{\left(\frac{\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_{02}}{\mathrm{\Δ\λ}}\right)}^2].---\left(6\right)$

令激光器波长为λ_L，在温度T₀时的阵列波导光栅解复用器i＝1，2的输出通的中心波长分别为λ₀₁＝λ_L-δ，λ₀₂＝λ_L+δ，δ为与温度无关的常数。当温度相对T₀变化ΔT时根据式(2)与(4)，容易算出温度T等于T₀+ΔT时阵列波导光栅解复用器i＝1，2的输出通的中心波长分别为λ₀₁＝λ_L-δ+μ×ΔT，λ₀₂＝λ_L+δ+μ×ΔT，μ为温度无关的常数，带入式(6)，得到

$P=\ln \frac{{\mathrm{\η}}_1}{{\mathrm{\η}}_2}+8\ln 2\frac{\mathrm{\μ\δ}}{{\left(\mathrm{\Δ\λ}\right)}^2}\mathrm{\ΔT}=C+\mathrm{\ξ}(T-T_0)=\mathrm{\ξ}(T-T_0^{\′}),---\left(7\right)$

其中T′₀＝T₀-C/ξ、C与ξ均是与温度无关的常数。从(7)式可以看出只要测出了信号P就可以线性地计算出环境温度T。

本发明利用公式(7)所描述的温度与功率比P′_T相关的特性实现温度传感。实现上述方法的温度传感器的结构如图2所示。本发明的基于阵列波导光栅解复用器的温度传感器由温度传感器控制仪10和放置于测温区域，作为温度探测器的阵列波导光栅解复用器3组成。

温度传感器控制仪10的激光器1输出的波长为λ_L的激光通过耦合器2后分成两束光功率比为95∶5的光，其中占95％的部分的光通过光纤传输到作为温度探测器的阵列波导光栅解复用器3的输入端，然后分别从阵列波导光栅解复用器3的两个相邻输出波导输出后分别由探测器4与探测器5转换成电信号。其中阵列波导光栅解复用器3的两个相邻输出波导输出光谱中心波长分别为λ₁与λ₂(令λ₁＜λ₂)，当环境温度变化时，λ₁与λ₂的大小随温度变化，由于是同一片阵列波导光栅上的两个输出通道，故当环境温度变化时这两个通道的中心波长具有相同的变化量。在所测量的温度范围内激光器的波长λ_L一直满足λ₁＜λ_L＜λ₂，且保持不变。将探测器4与5所探测到的光功率相除并取对数后的数值P′_T即可以得到如公式(7)所示的关系，从而实现了温度传感功能，其中公式(7)中的各个常数可以用如下方法确定：

1)将温度探测用阵列波导光栅解复用器3放入温度可控的实验箱中，试验箱可以是烘箱、温度循环箱；

2)在试验箱中放入一个标准温度计，温度计可以是基于热敏电阻的电子温度计，用以监测试验箱中的温度；

3)在某个任意温度T₁温度下测出分别从阵列波导光栅解复用器3的两个相邻输出波导输出后分别由探测器4与探测器5转换成电信号，并用这些电信号相除并取对数得到值P(T₁)，再在另外一个不同的温度T₂下测出分别从阵列波导光栅解复用器3的两个相邻输出波导输出后分别由探测器4与探测器5转换成电信号，并用这些电信号相除并取对数得到值P(T₂)；

4)从公式(7)可以看出P(T₂)-P(T₁)＝ξ(T₂-T₁)，从而由ξ＝[P(T₂)-P(T₁)]/(T₂-T₁)计算出常数ξ；

5)利用P(T₁)或P(T₂)，以及计算出来的ξ，由T′₀＝T₁-P(T₁)/ξ计算出常数T′₀；

6)将温度探测用阵列波导光栅解复用器3放入需要监控温度的环境下，测出分别从阵列波导光栅解复用器3的两个相邻输出波导输出后分别由探测器4与探测器5转换成电信号，并用这些电信号相除并取对数得到值P(T)，由T＝P(T)/ξ+T′₀算出环境温度。

在实际应用中，由于各种原因激光器的波长λ_L会随着时间、环境温度等变化有一定程度的变化，为了解决激光器的波长λ_L的变化导致的测试精度的降低问题，本发明在温度传感器控制仪10里还加入了另一个阵列波导光栅解复用器，该解复用器的特点是其中心波长不随环境温度变化而变化，实现方法之一是通过给阵列波导光栅解复用器8进行恒温处理——对其进行加热到一个恒定的温度，一股加热温度大于工作环境的最大温度以上。如图2所示的激光器1输出的波长为λ_L的激光通过耦合器2后分成两束光功率比为95∶5的光，其中占5％的部分的光通过光纤传输到作为温度探测器的阵列波导光栅解复用器8的输入端，然后分别从阵列波导光栅解复用器8的两个相邻输出波导输出后分别由探测器6与探测器7转换成电型号。令标准激光器波长为λ_L，而其波长漂移后波长λ为λ_L+Δλ_L，设定(可以通过改变阵列波导光栅解复用器8的环境温度)阵列波导光栅解复用器8的两个相邻输出通道中心波长分别为λ₀₁＝λ_L-δ_c，λ₀₂＝λ_L+δ_c，δ为与温度无关的常数。类比公式(6)可以得到

$P=\ln \frac{{\mathrm{\η}}_1}{{\mathrm{\η}}_2}+8\ln 2\frac{\mathrm{\δ}}{{\left({\mathrm{\Δ\λ}}_c\right)}^2}(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_L)=A+\mathrm{\ζ}(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_L)=\mathrm{\ζ}(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_L^{\′}).---\left(8\right)$

其中ζ、λ′_L均为与λ无关的常数。根据(8)式即可以监测出激光器波长的漂移值Δλ_L，可以利用此数据从温度传感器量的P中直接扣除由Δλ_L引入的P的变化值ξΔλ_L，再用修正后的P计算出温度变化。

其中波长漂移值Δλ_L，以及对温度传感结果的修正可由如下方式确定：

8)将单波长激光器1换成可调谐激光器；

9)调节可调谐激光器的输出波长到介于校正用阵列波导光栅解复用器的两个输出通道中心波长之间的任意一个波长λ₁，测出分别从校正用阵列波导光栅解复用器8的两个相邻输出波导输出后分别由探测器6与探测器7转换成电信号，并用这些电信号相除并取对数得到值P(λ₁)，再在另外一个介于校正用阵列波导光栅解复用器的两个输出通道中心波长之间的不同波长λ₂下测出分别从校正用阵列波导光栅解复用器8的两个相邻输出波导输出后分别由探测器6与探测器7转换成电信号，并用这些电信号相除并取对数得到值P(λ₂)；

10)从公式(8)可以看出P(λ₂)-P(λ₁)＝ψ(λ₂-λ₁)，从而由ζ＝[P(λ₂)-P(λ₁)]/(λ₂-λ₁)计算出常数ζ；

11)利用P(λ₁)或P(λ₂)，以及计算出来的ζ，由λ′_L＝λ₁-P(λ₁)/ζ计算出常数λ′_L；

12)将可调谐激光器转换成单波长激光器1，将阵列波导光栅解复用器3放入需要监控温度的环境下，测出分别从校正用阵列波导光栅解复用器8的两个相邻输出波导输出后分别由探测器6与探测器7转换成电信号，并用这些电信号相除并取对数得到值P(λ)，由λ＝P(λ)/ζ+λ′_L算出激光器的实际波长，从而计算出波长漂移量Δλ_L＝λ-λ_L；

13)将温度探测用阵列波导光栅解复用器3放入需要监控温度的环境下，测出分别从阵列波导光栅解复用器3的两个相邻输出波导输出后分别由探测器4与探测器5转换成电信号，并用这些电信号相除并取对数得到值P(T)；

14)用P＝P(T)-ξΔλ_L替换实际测得的P(T)，再由T＝P/ξ+T′₀算出环境温度。

从上文的分析中可以看出，最后经过除法对数处理后的信号与激光器的光强或从耦合器输出的光强强度无直接关系，故上文中的耦合器分光比为95∶5仅是为了描述方便，实际应用中可以取任何比例的分光比，比例大小主要看探测器的灵敏度以及光纤的传输损耗。

在实际应用中，由于阵列波导光栅解复用器的输出通道光谱中心波长随输入的激光的偏振态变化而变化，为了进一步提高温度传感的精度，可以在阵列波导光栅解复用器3、阵列波导光栅解复用器8的输入端增加一个起偏器，如图3所示，这样保证只有一种偏振态可以进入阵列波导光栅解复用器。

图2表示的仅仅是一个实施例的结构框图，在实际设计时，可以采用部分或全部来构成温度传感器：在激光器波长比较稳定或温度测试精度要求较低时可以不需要耦合器2、阵列波导光栅解复用器8、探测器6、探测器7，这样可以降低温度传感控制仪10的成本。当需求测试精度较高时，则可以配置耦合器2、阵列波导光栅解复用器8、探测器6、探测器7。在阵列波导光栅解复用器输出通道光谱中心波长受光的偏振态影响较大时可以在阵列波导光栅解复用器器前增加起偏器。

在实际应用中耦合器2可以是光纤耦合器、基于平面波导工艺的耦合器、或晶体分束器，等各种方式，而且其分光比也可以是任何比值。

在实际应用中偏振分束器或起偏器16可以是起偏跳线、偏振片、尼科尔棱镜等各类可以将混合偏振态的光转变成偏振光元器件。

在实际应用中，电信号的处理不一定采用微处理器，可以采用数字或模拟的电路实现，或者直接经过数据采集卡后将信号输入到计算机中进行处理，例如，可以采用模拟电路实现其中除法对数运算：先将一对探测器(探测器4与5或探测器6与7)的输出信号分别通过对数运算放大器处理后再输入差分放大器作差从而实现除法对数运算。

在实际应用中耦合器2也可以是光开关。

在实际应用中，为了获得较高的温度变化与运算后的电信号之间的线性关系，一股要求激光器波长介于所使用的阵列波导光栅解复用器的两个输出通道的中心波长之间，要求所使用的激光器的光谱宽度远窄于阵列波导光栅解复用器的输出通道的光谱宽度。

在实际应用中，可以通过阵列波导光栅解复用器的两个输出通道的中心波长差2δ来调节温度传感器的测温范围。以硅基二氧化硅材料制作的阵列波导光栅解复用器为例：其中心波——温度系数为0.0118nm/℃，那么要测量-40～120℃范围内的温度，则一股要求2δ大于1.9nm，2δ可以通过改变相邻阵列波导的长度差ΔL、衍射级数m、栅距d实现。温度传感灵敏度可以通过改变阵列波导光栅解复用器输出通道光谱半宽Δλ或改变阵列波导光栅解复用器输中心波长随温度变化的系数而改变——光谱半宽Δλ越小灵敏度越大，中心波长随温度变化的系数越大灵敏度越大；可以改变通过阵列波导光栅输入或输出波导与平板波导连接处的入或输出波导宽度改变Δλ(连接处波导宽度越窄则Δλ越小)，或通过改变两个输出波导在与平板波导连接处的间距实现(间距越大则Δλ越小)，而阵列波导光栅解复用器输中心波长随温度变化的系数的改变可以通过采用不同材料制作阵列波导光栅的方法实现——比如目前成熟的基于聚合物的阵列波导光栅中心波长-温度系数是可以通过改变聚合物的组成而在很大的范围内变化。

在具体应用中，阵列波导光栅解复用器可以是基于包括聚合物、硅基二氧化硅、II-V族、等各种材料通过平面波导工艺制作而成。由于其输出通道数较少，而且只需要高斯型光谱、对插入损耗等参数要求较低故尺寸可以做得很小，为了获得更小的尺寸可以采用波导传光部分折射率与波导周围的折射率差胶大的材料。

在具体应用中，用于激光器波长监控的阵列波导光栅解复用器8可以用加热到一个较高的恒定的温度下的方式实现中心波长不随外界环境温度的变化而变化的目的，也可以采用合适的机械补偿的方法或选用合适的波导材料的方式实现——如公开号为CN1238841A的中国专利、欧洲专利EP1089098A1等专利批露的方案均可以实现此功能。

作为本发明应用的延伸，很容易采用光开关或耦合器将耦合器2输出到阵列波导光栅解复用器3上的光分成若干束，分别接若干个阵列波导光栅解复用器3a、3b、3c、……，每个阵列波导光栅解复用器3a、3b、3c、……输出的光通过光开关或耦合器分别合并到探测器4与5上，实现多点测温温度传感器测温的目的。注意：将耦合器2后的分光器件与探测器4、5后的分光器不能同时为耦合器。图4表示的是一种多点测温的温度传感器的实施例：激光通过耦合器2输出后先经过1XN光开关20(N的数量取决于温度传感探测器的数量)后分别进入阵列波导光栅解复用器3a、3b、3c、……，阵列波导光栅解复用器3a、3b、3c、……两个输出端输出的光信号分别通过NX1耦合器21与22合并到探测器5与4，在测温时通过光开关20选择不同的作为温度传感探测器的阵列波导光栅解复用器，从而分别算出各个位置的温度。本实施例中21、22为耦合器是因为耦合器无可动的元件，特别是基于Y分支结构的平面波导耦合器具有高的可靠性与稳定性且偏振相关损耗较低，这样可以获得较准确的测量结果，而20选用光开关是基于两个原因——A)需要用光开关来准确选定温度传感探测器，B)该部分分光的稳定性对后面的测量结果没有影响。在实际应用中20也可以选用耦合器，但是20与21以及20与22不能同时选用耦合器。

Claims (9)

1.一种基于阵列波导光栅的温度传感器，包括温度传感器控制仪和至少一个测温用阵列波导光栅解复用器、所述的温度传感器控制仪包括激光器、测温用光强探测器，计算单元，其中，

所述的激光器输出的光传输至测温用阵列波导光栅解复用器；

所述的阵列波导光栅解复用器包括一个输入波导、至少两个输出波导、前平板波导、后平板波导和连接在两个平板波导之间的阵列波导，所述的阵列波导中任意相邻的两个波导长度差恒定，所述输入波导连接在激光器和前平板波导之间；

阵列波导中的光在经过阵列波导和后平板波导后，在后平板波导的端部形成干涉图样，所述的每个输出波导接在后平板波导输出端的不同位置点上，各个不同位置点设在不同波长的光干涉的最强点；

测温用光强探测器用于检测各个输出波导输出的光的光强，其输出被送入计算单元，由计算单元根据不同输出波导的输出光强计算测温用阵列波导光栅解复用器所在的区域的环境温度。

2.根据权利要求1所述的基于阵列波导光栅的温度传感器，其特征在于，所述的激光器为单波长激光器，所述的温度传感器控制仪还包括耦合器、校正用阵列波导光栅解复用器和校正用的光强探测器；所述的校正用阵列波导光栅解复用器的中心波长不随外界环境温度的变化而变化；所述激光器输出的光经过耦合器分束后，分别输送至测温用阵列波导光栅解复用器和校正用阵列波导光栅解复用器，所述的校正用阵列波导光栅解复用器与测温用阵列波导光栅解复用器结构相同，其各个输出波导输出光的光强由校正用光强探测器检测；由计算单元根据校正用光强探测器检测的不同输出波导的输出光强计算监测激光器波长的漂移值并对测温用阵列波导光栅解复用器所在的区域的环境温度的计算值进行修正。

3.根据权利要求1所述的基于阵列波导光栅的温度传感器，其特征在于，通过恒温加热的方式使所述的校正用阵列波导光栅解复用器置于高于环境温度的恒温温度环境中。

4.根据权利要求1或2所述的基于阵列波导光栅的温度传感器，其特征在于，所述的测温用阵列波导光栅解复用器有两个以上，每个测温用阵列波导光栅解复用器分别接收经过分束的激光器输出光，其输出通过光开关或输出耦合器分别合并到所述的测温用光强探测器上。

5.根据权利要求1或2所述的基于阵列波导光栅的温度传感器，其特征在于，在激光器与测温用阵列波导光栅解复用器之间连接有偏振分束器或起偏器。

6.根据权利要求2所述的基于阵列波导光栅的温度传感器，其特征在于，在激光器与校正用阵列波导光栅解复用器之间连接有偏振分束器或起偏器。

7.根据权利要求1或2所述的基于阵列波导光栅的温度传感器，其特征在于，各个阵列波导光栅解复用器均包括两个输出波导，所述激光器的输出光的波长介于所使用的阵列波导光栅解复用器的两个输出波导的中心波长之间。

8.一种采用权利要求1所述的温度传感器实现的基于阵列波导光栅的温度传感方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)通过如下方式获取公式中的温度无关的常数ξ与

1)将测温用阵列波导光栅解复用器放入温度可控的实验箱中；

2)在实验箱中放入一个用以监测实验箱中的温度的标准温度计；

3)在某个任意温度T₁温度下，将两个测温用光强探测器转化的电信号相除并取对数得到值P(T₁)，再在另外一个不同的温度T₂由计算单元将两个测温用光强探测器转化的电信号相除并取对数得到值P(T₂)；

4)由ξ＝[P(T₂)-P(T₁)]/(T₂-T₁)计算出常数ξ；

5)利用P(T₁)或P(T₂)，以及计算出来的ξ，由计算出常数

(2)测量温度时，将测温用阵列波导光栅解复用器放入需要监控温度的环境下，由计算单元将两个测温用光强探测器采集的电信号相除并取对数得到值P(T)，根据

算出环境温度T。

9.根据权利要求8所述的温度传感方法，其特征在于，所采用的温度传感器的激光器为单波长激光器，该温度传感器还包括耦合器、校正用阵列波导光栅解复用器和校正用的光强探测器；所述的校正用阵列波导光栅解复用器的中心波长不随外界环境温度的变化而变化；所述激光器输出的光经过耦合器分束后，分别输送至测温用阵列波导光栅解复用器和校正用阵列波导光栅解复用器，所述的校正用阵列波导光栅解复用器与测温用阵列波导光栅解复用器结构相同，其各个输出波导输出光的光强由校正用光强探测器检测，设单波长激光器的输出波长为λ_L，其漂移值为Δλ_L，对温度传感结果的修正可由如下方式确定：

1)利用可调谐激光器替代单波长激光器；

2)调节可调谐激光器的输出波长到介于校正用阵列波导光栅解复用器的两个输出通道中心波长之间的任意一个波长λ₁，将两个校正用光强探测器转化的电信号相除并取对数得到值P(λ₁)，再调节可调谐激光器的输出波长到介于校正用阵列波导光栅解复用器的两个输出通道中心波长之间的另外一个不同波长λ₂，且λ₁不等于λ₂，将两个校正用光强探测器转化的电信号相除并取对数得到值P(λ₂)；

3)由ζ＝[P(λ₂)-P(λ₁)]/(λ₂-λ₁)计算出常数ζ；

4)利用P(λ₁)，以及计算出来的ζ，由

计算出常数

5)将可调谐激光器改回单波长激光器，将测温用阵列波导光栅解复用器放入需要监控温度的环境下，将两个校正用光强探测器转化的电信号相除并取对数得到值P(λ)，由

算出激光器的实际波长，从而计算出波长漂移量Δλ_L＝λ-λ_L；

6)测量温度时，将测温用阵列波导光栅解复用器放入需要监控温度的环境下，将两个测温用光强探测器采集的电信号相除并取对数得到值P(T)；

7)用P＝P(T)-ξΔλ_L替换实际测得的P(T)，再由

算出环境温度。

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