CN113776687B - 一种基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统，微波光子测量采用级联微环的直通端，由于第一微环用于微波光子测量，为了提高分辨率，其设计为宽波导的高Q微环。光学测量采用级联微环的下载端，并使得级联微环的包络与单个微环漂移方向相同。由游标效应使得两个微环级联后的光谱可以形成包络，监测包络顶点，可以同时放大传感范围和灵敏度。通过所述波长变化和频率变化获取待测温度变化值；光学测量可以提供较大的动态范围，微波光子测量可以实现高分辨率、高精度的温度测量，通过两种测量方法的整合同时实现高精度、大动态范围的温度测量。

Description

一种基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统
技术领域
本发明属于测量领域，更具体地，涉及一种基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统。
背景技术
基于硅基波导的传感器件具有很小的器件尺寸、较小的材料损耗以及较强的光场限制作用，同时硅具有高折射率差、透明窗口宽、CMOS工艺兼容、集成度高等优点，因此可以实现高灵敏度和低检测极限的传感。
集成光子技术具有极大的潜力，可以提高传感器的性能，并降低光学传感系统的体积和成本。作为一种波长敏感器件，微环谐振器可用作性能优良的温度传感器件。首先，微环具有高品质因数，大消光比和低插损的优势。其次，微环可以进行大规模集成，并且与CMOS工艺兼容。级联微环谐振器的传感机制是谐振波长会随着待测量的变化而发生变化。普通的单个微环温度传感器的灵敏度一般为80pm/℃左右。级联环形谐振器的温度传感器可以同时提高灵敏度和传感动态范围，其测量范围受到传感微环自由频谱范围(Freespectral range,FSR)的限制。在传统的光学传感中，通常使用光谱分析仪解调光功率或光波长的偏移。由于光谱分析仪的分辨率较低，传感器的分辨率也受到限制。
为了解决这些问题，人们提出了使用微波光子技术解调的光学传感器。基于微波光子技术的传感器包括基于光电振荡器(Optoelectronic oscillator,OEO)的传感器和基于MPF(Microwave photonic filter,MPF)的传感器。基于OEO的传感器通过外界物理量变化引起滤波器中心频率改变，从而改变OEO振荡频率。基于MPF的传感器因施加到传感器件的外界物理量的改变，从而引起MPF的中心频率的改变。利用微波光子传感的高速、高分辨率的优势，可以实现高精度的温度测量。但是，微波光子传感实现高分辨率的代价是有限的测量范围。因此，如何增大微波光子传感范围，实现高精度大范围的温度传感，是当前亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统，由此解决现有的微波光子传感测量范围较小的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统，包括：激光光源、宽谱光源、偏振分束器、依次连接构成环路的相位调制器、光学滤波器、偏振合束器、放大器、级联微环谐振器和光电探测器；
所述激光光源发出的光依次经由相位调制器和光学滤波器进行调制和滤波后，得到单边带调制信号，并传输至偏振合束器；所述宽谱光源发出的光经由偏振分束器得到线偏振光，并传输至偏振合束器；所述单边带调制信号和线偏振光由偏振合束器合束后，依次传输至放大器和级联微环谐振器；
所述光电探测器的输入端与级联微环谐振器的直通端连接，用于将所述级联微环谐振器的直通端输出的光信号转换为所述微波信号，并反馈至所述相位调制器，以对所述激光光源发出的光进行调制；
所述级联微环谐振器包括第一微环和第二微环；所述级联微环谐振器的下载端为光学测量端口，用于测量波长变化值；所述第一微环的直通端为微波光子测量端口，用于测量频率变化值；基于所述波长变化值和频率变化值获取待测温度变化值。
优选地，波长变化值Δλres、频率变化值Δf与待测温度变化值ΔT满足以下关系式：
Figure BDA0003215431750000031
其中，
Figure BDA0003215431750000032
DR为微波光子测量的温度变化范围，Sf为微波光子测量的灵敏度，Sλ为光学测量的温度灵敏度。
优选地，采用光谱仪通过所述级联微环谐振器的下载端测量波长变化值。
优选地，采用矢量网络分析仪通过所述第一微环的直通端测量频率变化。
优选地，所述系统还包括第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器和第四偏振控制器；
所述第一偏振控制器用于对所述激光光源发出的光的偏振态进行调整；
所述第二偏振控制器和第三偏振控制器用于分别用于所述对单边带调制信号和线偏振光的偏振态进行调整；
所述第四偏振控制器用于调节光进入级联微环谐振器的耦合光栅前的偏振态，使耦合效率达到最大。
优选地，所述第一微环为高Q值微环。
优选地，所述第一微环和第二微环的自由频谱范围FSR1、FSR2之间差值范围为2-6pm。
优选地，所述级联微的漂移方向与所述第一微环和第二微环的漂移方向相同。
优选地，所述第一微环和第二微环的自由频谱范围FSR1、FSR2、灵敏度S1、S2、环长L1、L2、波导宽度W1、W2满足以下关系式：
FSR1<FSR2，S1>S2，L1>L2，W1>W2。
优选地，所述级联微环谐振器包括但不限于硅、二氧化硅、铌酸锂、氮化硅中的任一种材料；所述级联微环谐振器包括但不限于条波导、脊波导中的任一种波导结构。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供的基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统，通过对级联微环结构的设计，使用包括第一微环和第二微环的级联微环作为温度传感器件，放大温度测量的范围及灵敏度，将级联微环的下载端作为光学测量的端口用于测量波长变化，第一微环作为温度传感器的同时，也作为微波光子滤波器中的滤波器件，其直通端作为微波光子测量的端口用于测量频率变化，通过所述波长变化和频率变化获取待测温度变化值；光学测量可以提供较大的动态范围，微波光子测量可以实现高分辨率、高精度的温度测量，通过两种测量方法的整合同时实现高精度、高分辨率、大动态范围的温度测量。
2、本发明提供的基于微波光子结合光学测量的温度传感系统，由于采用单边带调制信号结合微环谐振器得到的带陷微波光子滤波器，使得微波光子传感测得的频率随着温度变化周期性地单调变化，从而使得基于带陷MPF解调的传感测量范围比现有的基于OEO解调的测量范围增大一倍，增大了测量范围。
3、本发明提供的基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统，通过第二偏振控制器和第三偏振控制器分别调节光学滤波器输出的单边带调制信号和偏振分束器输出的线偏振光使得两路光的光功率比例调节到最佳；通过第四偏振控制器调节光进入耦合光栅前的偏振态使耦合效率达到最大，从而进一步提高测量精度。
4、本发明提供的基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统，将级联微环中的高Q微环同时用作温度传感器件和微波光子滤波器中的滤波器件，实现带陷微波光子滤波器的频率随温度周期性的单调变化，从而进一步提高测量范围；并且，由于设计第一微环为高Q微环，使微波光子滤波器的带宽更小，温度测量的分辨率更高，同时微环处于临界耦合状态，微波光子滤波器的抑制比最大。同时由于级联微环与单个微环漂移方向相同，使得级联微环测量的温度灵敏度进一步得到放大。
5、本发明提供的基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统，级联微环谐振器中两微环的自由频谱范围相近，由级联微环的游标效应可知，两个微环级联后的光谱可以形成包络，通过监测两微环级联后光谱包络最高点，同时放大了传感范围和灵敏度。
附图说明
图1为本发明提供的基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统结构示意图；
图2是本发明提供的基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统中级联微环谐振器示意图；
图3为本发明提供的带陷微波光子滤波器的原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供一种基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统，如图1所示，包括：激光光源1、宽谱光源6、偏振分束器7、依次连接构成环路的相位调制器3、光学滤波器4、偏振合束器9、放大器11、级联微环谐振器12和光电探测器13；
所述激光光源发出的光依次经由相位调制器和光学滤波器进行调制和滤波后，得到单边带调制信号，并传输至偏振合束器；所述宽谱光源发出的光经由偏振分束器得到线偏振光，并传输至偏振合束器；所述单边带调制信号和线偏振光由偏振合束器合束后，依次传输至放大器和级联微环谐振器；
所述光电探测器的输入端与级联微环谐振器的直通端连接，用于将所述级联微环谐振器的直通端输出的光信号转换为所述微波信号，并反馈至所述相位调制器，以对所述激光光源发出的光进行调制；
所述级联微环谐振器包括第一微环和第二微环；所述级联微环谐振器的下载端为光学测量端口，用于测量波长变化值；所述第一微环的直通端为微波光子测量端口，用于测量频率变化值；基于所述波长变化值和频率变化值获取待测温度变化值。
所述光电探测器与相位调制器形成射频链路14。
优选地，所述激光光源为连续光激光光源，所述放大器为掺铒光纤放大器。
具体地，所述相位调制器的载波输入端同连续光激光光源的输出端相连，将光载波由第一偏振控制器输入到相位调制器中，同时相位调制器将微波信号加载到光载波上，相位调制器的输出端同光学滤波器的输入端连接用于滤除+1阶边带，得到单边带的相位调制光。即：激光器发出的连续光输入相位调制器被微波信号调制，产生相位相反的一阶上边带和下边带，然后调制后的光信号经过光学滤波器滤除上边带变成单边带调制信号。
宽谱光源发出的光经由偏振分束器变为线偏振光，此线偏振光通过偏振合束器与单边带的相位调制光合束，合束后的光经由偏振控制器进入掺铒光纤放大器，放大后耦合到由第一微环和第二微环构成的级联微环中，微环作为传感器件，级联微环的下载端作为光学测量的端口，并使用光谱仪监测级联微环的光谱。
如图2所示，所述级联微环谐振器作为温度传感器由第一微环谐振器和第二微环谐振器构成，级联微环的下载端作为光学测量的端口，第一微环的直通端用于微波光子测量的端口，第一微环同时作为温度传感器件和微波光子滤波器(Microwave photonicfilter,MPF)中的滤波器件。最后第一微环直通端的光输入到光电探测器中，完成光电转换。
优选地，所述的光电探测器可以进行片上集成，也可以在片外进行光电转换。
进一步地，所述第一微环谐振器为高Q值微环谐振器。
工作时，偏振合束后的光耦合到级联微环中，其中第一微环采用高Q微环的设计，使MPF的带宽更小，同时其应尽可能处于临界耦合状态，从而使MPF抑制比最大，保证微波光子测量获得更高的分辨率。
进一步地，所述第一微环和第二微环的自由频谱范围FSR1、FSR2之间的差值范围为2-6pm。
进一步地，所述级联微的漂移方向与所述第一微环和第二微环的漂移方向相同。
进一步地，所述第一微环谐振器和第二微环谐振器的自由频谱范围FSR1、FSR2、灵敏度S1、S2、环长L1、L2、波导宽度W1、W2满足以下关系式：
FSR1<FSR2，S1>S2，L1>L2，W1>W2 (1)
进一步地，所述级联微环谐振器包括硅、二氧化硅、铌酸锂、氮化硅中的任意一种材料。
进一步地，所述级联微环谐振器包括条波导、脊波导中的任意一种波导结构。
具体地，所述的级联微环谐振器漂移方向应当与单个微环漂移方向相同，从而放大温度测量的灵敏度。同时为了更好的拟合微环级联后谐振峰的包络，两微环的自由频谱范围(Free spectral range,FSR)应当相近(FSR1、FSR2之间的差值范围为2-6pm)，使得级联后微环传输谱的包络具有较大的FSR，同时包络峰具有较小的线宽，使得峰值具有较好的检测识别度。
并且，可以采用优化高Q谐振器的结构尺寸来尽可能的减小散射损耗、辐射损耗；并通过不断优化波导与谐振器耦合区的耦合间距，进一步提升有载Q。
还可基于不同的波导材料和波导结构来实现，例如：采用但不限于硅、二氧化硅、铌酸锂、氮化硅等材料；采用但不限于条波导、脊波导等波导结构。
级联微环的自由频谱范围FSRCRR和灵敏度SCRR可以分别表示为：
Figure BDA0003215431750000081
Figure BDA0003215431750000082
其中，FSR1和FSR2分别是第一微环和第二微环的自由频谱范围，S1和S2分别是第一微环和第二微环的温度灵敏度。
由上述公式可知，当两个微环的自由频谱范围的差ΔFSR＝FSR1-FSR2越小时，FSRCRR和SCRR越大。更进一步地，由游标效应可知，当两个微环的自由频谱范围相近，两个微环级联后的光谱可以形成包络。通过监测包络的最高点，可以放大传感范围。
为了实现微波光子结合光学同时测量温度，微波光子测量采用MRR1的直通端，为了获得更高的分辨率，通过设计一种高Q微环谐振器，将微环处于临界耦合状态，使得MPF的带宽更小、抑制比最大。光学测量采用级联微环的下载端，为了获得微环级联后谐振峰的包络，应当设计两微环的FSR相近，同时为了放大光学测量的灵敏度，级联微环应当与单个微环漂移方向相同，因此两微环的FSR及灵敏度应当满足：FSR1<FSR2,S1>S2,同时两微环的环长与波导宽度应当满足：L1>L2，W1>W2。
为了提高分辨率，第一微环为宽波导的高Q微环且处于临界耦合状态，其直通端用于微波光子探测。级联微环的下载端用作光学测量，为了使级联微环的包络与单个微环漂移方向相同，环长与波导宽度应满足：L1>L2，W1>W2。由游标效应使得两个微环级联后的光谱可以形成包络。通过监测包络顶点，可以同时放大传感范围和灵敏度。通过合理设计两微环的FSR，实现了大FSR和高灵敏度的级联微环。
本发明通过对高Q微环谐振器的结构尺寸和耦合区的优化设计来尽可能的减小散射损耗，还可以采用脊波导等进一步降低波导损耗，并通过不断优化波导与微环谐振器耦合区的耦合间距，进一步提升有载Q。
更进一步地，为了实现光学测量粗测温度，微波光子测量精测温度，微波光子传感测得的频率应当随着温度变化周期性地单调变化。本发明通过对带通MPF与带陷MPF的中心频率随温度变化的方向进行分析，最终采用单边带调制信号结合微环得到的带陷MPF进行电域测量。此时的频率测量范围等于微环的FSR，在每个传感范围内，带陷MPF的中心频率始终随温度升高而增大。并且使得基于带陷MPF解调的传感测量范围比基于OEO解调的测量范围增大一倍。
图3为带陷MPF的原理示意图，如图3所示，首先相位调制信号用光学滤波器滤去调制信号的某一边带，再用第一微环谐振凹陷衰减另一边带的幅度，构成微波光子带陷滤波器。为了使两个传感器在每个频率测量周期内所测得的温度变化一一对应，基于MPF的传感器测得的频率应随温度周期性地单调变化。由于在传感范围内仅有单个MPF通带，即测量离光载波最近的微环谐振峰映射出的MPF通带。由于上边带已被光学滤波器滤除，微环谐振凹陷始终衰减的是下边带，光载波频率为fc，随着温度升高，微环谐振波长发生变化，微环和MPF之间的光电映射会导致振荡频率随温度的改变发生漂移，从而引起的光频率由fc+fm变化到fc+fn，映射到微波频域即随着温度的升高，微波频率由fm变化到fn，且在每个频率测量周期内，带陷MPF的中心频率始终随温度升高而单调增大。
进一步地，如图1所示，所述系统还包括第一偏振控制器2、第二偏振控制器5、第三偏振控制器8和第四偏振控制器10；
所述第一偏振控制器用于对所述激光光源发出的光的偏振态进行调整；
所述第二偏振控制器和第三偏振控制器用于分别用于所述对单边带调制信号和线偏振光的偏振态进行调整；
所述第四偏振控制器用于调节光进入级联微环谐振器的耦合光栅前的偏振态，使耦合效率达到最大。
具体地，工作时，第二偏振控制器和第三偏振控制器用于将两路光的光功率比例调节到最佳，经由偏振合束器合束后的光经由第四偏振控制器进入放大器进行放大，放大后耦合到级联微环芯片中。
第四偏振控制器的作用是调节光进入耦合光栅前的偏振态，使耦合效率达到最大。
工作时，连续光激光器发出的光载波经由第一偏振控制器输入到相位调制器中，相位调制器将微波信号加载到光载波上，然后用光学滤波器滤除+1阶边带，得到单边带调制信号。宽谱光源发出的光经由偏振分束器变为线偏振光，此线偏振光通过偏振合束器与单边带的相位调制光合束。第二偏振控制器和第三偏振控制器用于将两路光的光功率比例调节到最佳。合束后的光经由第四偏振控制器后进入放大器放大后耦合到芯片中。第四偏振控制器的作用是调节光进入耦合光栅前的偏振态，使耦合效率达到最大。第一微环和第二微环构成的级联微环作为传感器件，将级联微环的下载端作为光学测量的端口。第一微环的直通端用作微波光子测量的端口同时第一微环也作为MPF中的滤波器件和传感器件。第一微环直通端的光输出至光电探测器完成光电转换。光学测量有大动态范围的优势，微波光子测量有较高的测量分辨率和精度，两者相结合实现了大动态范围高分辨率的温度测量。
进一步地，波长变化值Δλres、频率变化值Δf与待测温度变化值ΔT满足以下关系式：
Figure BDA0003215431750000111
其中，
Figure BDA0003215431750000112
DR为微波光子测量的温度变化范围，Sf为微波光子测量的灵敏度，Sλ为光学测量的温度灵敏度。
进一步地，采用光谱仪通过所述级联微环谐振器的下载端测量波长变化值。
进一步地，采用矢量网络分析仪通过所述第一微环谐振器的直通端测量频率变化。
具体地，级联微环的下载端作为光学测量的端口，使用光谱仪通过所述级联微环谐振器的下载端监测级联微环的光谱，通过光谱仪可以测得在温度变化区间内的波长变化，将波长变化值Δλres除以光学测量的灵敏度Sλ，就可得到光学测量对应的温度变化值ΔTλ，即：
Figure BDA0003215431750000113
例如：在实验过程中，先用温度控制器将级联微环的温度从T1℃增加到T2℃，通过光谱仪可读出拟合包络最高点波长变化从λ1nm增加到λ22nm，即波长变化值Δλres＝λ2-λ1nm。再采用矢量网络分析仪通过所述第一微环谐振器的直通端测量频率变化值Δf，从而根据Δλres与Δf计算待测温度变化值ΔT。
可以理解的是，本发明提供的温度传感系统，可用于检测任何环境或物体的温度变化，即，级联微环作为温度传感器件，可用于对任意待测温度进行测量。
第一微环同时作为MPF中的滤波器件和传感器件，第一微环谐振凹陷衰减另一边带(即下边带)的幅度，构成微波光子带陷滤波器。同时将第一微环的直通端用作微波光子测量的端口。第一微环直通端的光输入到光电探测器中转换为微波电信号，完成光电转换。
第一微环的直通端用作微波光子测量的端口，利用矢量网络分析仪通过第一微环的直通端可得到微波光子测量的频率变化Δf，将Δf除以微波光子测量的温度灵敏度Sf，就可以得到微波光子测量对应的温度变化值ΔTf，即：
Figure BDA0003215431750000121
最后，将光学测量的温度变化ΔTλ除以微波光子滤波器测量的温度变化范围DR再向下取整，可得该传感器已经经历了N个微波频率测量范围，即：
Figure BDA0003215431750000122
则最终微波光子结合光学测量得到的待测温度变化值ΔT为：N与微波光子滤波器的温度变化范围DR的乘积再加上微波光子测量的温度变化值ΔTf，即如式(4)所示。
优选地，微波光子滤波器的温度变化范围DR的获取方式可以为，通过单独对第一微环进行测量，进行曲线拟合得到，其最大的量程对应的最大温度测量范围。
光学测量有大动态范围的优势，微波光子测量可以有较高的测量分辨率和精度，两者相结合实现了大动态范围高分辨率的温度测量。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统，其特征在于，包括：激光光源、宽谱光源、偏振分束器、依次连接构成环路的相位调制器、光学滤波器、偏振合束器、放大器、级联微环谐振器和光电探测器；
所述激光光源发出的光依次经由相位调制器和光学滤波器进行调制和滤波后，得到单边带调制信号，并传输至偏振合束器；所述宽谱光源发出的光经由偏振分束器得到线偏振光，并传输至偏振合束器；所述单边带调制信号和线偏振光由偏振合束器合束后，依次传输至放大器和级联微环谐振器；
所述光电探测器的输入端与级联微环谐振器的直通端连接，用于将所述级联微环谐振器的直通端输出的光信号转换为所述微波信号，并反馈至所述相位调制器，以对所述激光光源发出的光进行调制；
所述级联微环谐振器包括第一微环和第二微环；所述级联微环谐振器的下载端为光学测量端口，用于测量波长变化值；所述第一微环的直通端为微波光子测量端口，用于测量频率变化值；基于所述波长变化值和频率变化值获取待测温度变化值；
波长变化值Δλres、频率变化值Δf与待测温度变化值ΔT满足以下关系式：
Figure FDA0003576300580000011
其中，
Figure FDA0003576300580000012
DR为微波光子测量的温度变化范围，Sf为微波光子测量的灵敏度，Sλ为光学测量的温度灵敏度。
2.如权利要求1所述的基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统，其特征在于，采用光谱仪测量所述级联微环谐振器下载端的波长变化值。
3.如权利要求1或2所述的基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统，其特征在于，采用矢量网络分析仪通过所述第一微环的直通端测量频率变化。
4.如权利要求1所述的基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统，其特征在于，所述系统还包括第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器和第四偏振控制器；
所述第一偏振控制器用于对所述激光光源发出的光的偏振态进行调整；
所述第二偏振控制器和第三偏振控制器分别用于对单边带调制信号和线偏振光的偏振态进行调整；
所述第四偏振控制器用于调节光进入级联微环谐振器的耦合光栅前的偏振态，使耦合效率达到最大。
5.如权利要求1所述的基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统，其特征在于，所述第一微环为高Q值微环。
6.如权利要求1所述的基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统，其特征在于，所述第一微环和第二微环的自由频谱范围FSR1、FSR2之间的差值范围为2-6pm。
7.如权利要求1所述的基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统，其特征在于，所述级联微环的漂移方向与所述第一微环和第二微环的漂移方向相同。
8.如权利要求1所述的基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统，其特征在于，所述第一微环和第二微环的自由频谱范围FSR1、FSR2、灵敏度S1、S2、环长L1、L2、波导宽度W1、W2满足以下关系式：
FSR1<FSR2，S1>S2，L1>L2，W1>W2。
9.如权利要求1所述的基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统，其特征在于，所述级联微环谐振器包括硅、二氧化硅、铌酸锂、氮化硅中的任一种材料，所述级联微环谐振器包括条波导、脊波导中的任一种波导结构。
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