CN115218935A - 一种基于集成光学芯片的光纤传感系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于集成光学芯片的光纤传感系统及其方法，属于光电通信技术领域。包括激光器、硅基光学芯片、光纤传感组件和信号处理模块；所述硅基光学芯片包括硅基耦合器一、分束器一、分束器二、硅基相移器一、硅基耦合器二、硅基耦合器三、光电探测器一和参考干涉仪结构。通过片上集成光学芯片的引入，更有利于集成和小型化，成本也大幅度降低；通过信号处理模块通过对光电感测器的信号处理，实时输出激光器驱动信号，更有利于降低激光器因环境因素或长时间工作产生的相位漂移噪声及频漂影响，达到提高光纤传感系统工作光源的波长稳定性，降低系统的相位噪声影响的技术效果。

Description

一种基于集成光学芯片的光纤传感系统及其方法

技术领域

本发明涉及光电通信技术领域，特别是一种基于集成光学芯片的光纤传感系统及其方法。

背景技术

光纤传感技术，通俗上说就是把光纤作为传输媒介，而对应的把光波作为感应载体，利用环境和光波变化的对应性来测量外界的相关物理量。现有的光纤传感器主要用来测量应变、位移、液位、温度等物理量。相比与传统的传感器，光纤传感器具有的优势有很多，主要包括：耐腐蚀、灵敏度高、抗电磁干扰等。正是因为有了以上优点，光纤传感器弥补了传统传感器的不足，同时也拓展了传感器的应用空间，并在很多方面取得了创造性的成就。

干涉型光纤传感器与强度型光纤传感器相比结构复杂，但其灵敏度很高，因而成为光纤传感器研究的一个重要组成部分。干涉型光纤传感器是利用被测对象对光纤的作用，导致光经过光纤时相位发生变化来达到检测的目的。目前，既有将多个干涉型光纤传感器组合成系统阵列的实际应用，也有综合光纤技术构成的智能型、功能型的传感系统。干涉型光纤传感器虽然具有诸多优点，但是其在解调过程中为避免环境和系统中低频噪声的影响，通常需要采用移频器或相位调制器等引入高频载波信号，而这些移频器或相位调制器不仅体积庞大，而且成本高昂，不利于系统的小型化和低成本。

此外噪声对干涉型光纤传感系统的影响非常大，它决定了整个传感系统的最小可探测相移。而光源是光噪声的主要来源。激光器在长时间工作过程中，激光器的腔长或腔内介质折射率的变化均会引起激光振荡频率发生漂移，此外由于环境温度的起伏、大气变化、机械振动、磁场等各种外界环境的干扰也会影响激光输出波长（频率）的稳定性，所以在激光器问世不久，人们就开始了对其稳频特性的研究，特别是近年来，随着激光器在各个领域的广泛应用，器件的波长（频率）的稳定性问题更是引起了人们的普遍关注。

为解决上述问题，本发明通过将片上集成光学芯片引入到光纤传感系统中，更有利于集成和小型化，成本也大幅度降低；通过信号处理模块通过对光电感测器的信号处理，实时输出激光器驱动信号，更有利于降低激光器因环境因素或长时间工作产生的相位漂移噪声及频漂影响，达到提高光纤传感系统工作光源的波长稳定性，降低系统的相位噪声影响的技术效果。

发明内容

针对上述问题，提供一种基于集成光学芯片的光纤传感系统及其方法，包括激光器、硅基光学芯片、光纤传感组件和信号处理模块；所述硅基光学芯片包括硅基耦合器一、分束器一、分束器二、硅基相移器一、硅基耦合器二、硅基耦合器三、光电探测器一和参考干涉仪结构。本发明可进一步降低干涉型光纤传感器的系统体积和成本，通过片上集成光学芯片的引入，更有利于集成和小型化，成本也大幅度降低；通过信号处理模块通过对光电感测器的信号处理，实时输出激光器驱动信号，更有利于降低激光器因环境因素或长时间工作产生的相位漂移噪声及频漂影响，达到提高光纤传感系统工作光源的波长稳定性，降低系统的相位噪声影响的技术效果。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是。

一种基于集成光学芯片的光纤传感系统及其方法，包括激光器、硅基光学芯片、光纤传感组件和信号处理模块；所述硅基光学芯片包括硅基耦合器一、分束器一、分束器二、硅基相移器一、硅基耦合器二、硅基耦合器三、光电探测器一和参考干涉仪结构；所述激光器依次与硅基耦合器一、分束器一相连，所述分束器一的高分束比输出端口与分束器二的一个输入端口相连，所述分束器二的另一输入端口直接与光电探测器一相连并输出至信号处理模块；分束器二分别输出信号臂和参考臂，所述信号臂与硅基耦合器二相连并输出至光纤传感组件，所述参考臂依次与硅基相移器一、硅基耦合器三相连并输出至光纤传感组件；所述分束器一的低分束比输出端与参考干涉仪结构相连，并最终通过光电探测器二和光电探测器三分别输出至信号处理模块。

优选的，所述参考干涉仪结构包括分束器三、硅基相移器二、分束器四、光电探测器二和光电探测器三；所述分束器三的一个输出端与硅基相移器二相连并输出至分束器四，所述分束器三另一输出端直接与分束器四相连；所述分束器四分束后分别与光电探测器二、光电探测器三相连，并分别输出至信号处理模块。

优选的，所述信号处理模块用于输出激光器的驱动信号和硅基相移器一、硅基相移器二的调制信号，同时对光电探测器一、光电探测器二、光电探测器三的输出电信号进行解调分析。

优选的，所述光纤传感组件包括信号光路和参考光路；所述信号光路包括传感探头和反射镜一，并通过光纤依次与硅基耦合器二相连。

优选的，所述信号光路包含至少一个传感探头。

优选的，所述传感探头包含至少两个端口。

优选的，所述参考光路包括反射镜二，并通过光纤与硅基耦合器三相连。

优选的，所述硅基相移器二优选为延时波导结构。

优选的，所述参考干涉仪由1×2分束器三、硅基相移器二、2×2分束器四、光电探测器二、光电探测器三及连接在相应部件之间的波导构成。

优选的，所述分束器二和分束器四优选为2×2多模干涉仪MMI结构或定向硅基耦合器，分束比优选为50：50。

优选的，所述分束器一和分束器三为Y波导结构或1×2多模干涉仪MMI结构或定向硅基耦合器。

优选的，分束器一分束比优选采用10：90；分束器三分束比优选为50：50。

优选的，所述硅基光学芯片为基于SOI材料平台工艺时，所述光电探测器一，优选为硅基锗光电探测器或硅探测器。

优选的，所述硅基光学芯片为基于SiN、SiON、SiO₂材料工艺平台时，所述光电探测器二、光电探测器二、光电探测器三优选为硅探测器或通过异质集成的InGaAs光电探测器。

优选的，所述硅基相移器用于产生调制载波信号,假设调制信号的调制幅度为C,调制载波频率为Ꞷ _c ，待测信号与环境系统等低频噪声影响为φ（t），光学传感组件产生的待测信号为Ꞷ _s （t），环境系统等低频噪声信号为ψ（t），为简单计假设解调单频信号有：φ（t）=Dcos(Ꞷ _s t)+ψ（t），其中Ꞷ _s 为待测信号的角频率，干涉仪输出强度可以表示为：

I=A+Bcos[Ccos（Ꞷ _c t）+φ（t）]，其中A正比于激光输出功率，B=vA，v<1为干涉对比度。

优选的，一种基于光纤传感系统的信号处理方法方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：让干涉仪输出信号与信号处理模块生成的载波信号Gcos(Ꞷ _c t)和Hcos(Ꞷ _c t)分别相乘混频，其中G和H分别为载波信号幅值；

S2：混频后各自通过一个截止频率低于载波信号的LPF滤波，并得到两个正交信号：

I_1s =-BGJ ₁(C)sinφ（t）

I_2s =-BGJ ₂(C)sinφ（t）

S3：将S2中的两个正交信号分别微分、与微分结果交叉相乘，然后将两个乘积相减，对其结果进行积分可得到：

V=B ² GHJ ₁(C)J₂(C) φ(t)=B ² GHJ ₁(C)[Dcos(Ꞷ _c t)+ψ(t)]

上式包含了待测信号的幅度、频率信息以及环境系统等低频噪声影响，通常后者是缓变信号，可以通过高通滤波滤除后得到待测信号信息。

优选的，一种基于光纤传感系统的降噪方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：输入参考干涉仪结构的光束首先经过分束器三后被分为上下两路光，假设两路光场振幅均为E，容易计算出经过定分束器四后的两路光强为：

P ₁=1/2|E ²|（1-cosφ）

P ₂=1/2|E ²|（1+cosφ）

其中，

为硅基耦合器一产生的固定相移，L为硅基耦合器一的长度，n延 时波导等效折射率，λ为激光器输出光信号的中心波长，c为真空中光速。

因此有P ₂-P ₁=|E ²|cosφ，其中φ为激光器中心频率处解调出的相位差，为已知量，亦即硅基相移器二处产生的固定相位差。

S2：因此任何激光器频率漂移导致的相位延迟φ的偏差都会直接转换为直接探测解调结果相位差φ ^’ 与φ的偏差：P ₂-P ₁=|E ²|cosφ ^’ -|E ²|cosφ，其中P ₁和P ₂都是可以被系统探测的确定量。

S3：信号处理模块根据计算的φ ^’ 与φ的偏差调整激光器驱动信号，来降低激光器因环境或长时间累计运行等因素的影响而引入系统的相位噪声。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果。

本发明可进一步降低干涉型光纤传感器的系统体积和成本，将片上集成光学芯片引入至光纤传感系统中，更有利于集成和小型化，成本也大幅度降低；信号处理模块通过对光电感测器的信号处理，实时输出激光器驱动信号，更有利于降低激光器因环境因素或长时间工作产生的相位漂移噪声及频漂影响，达到提高光纤传感系统工作光源的波长稳定性，降低系统的相位噪声影响的技术效果。

附图说明

以下对本发明优选实施例的制作和应用进行详细讨论。但应理解的是，本发明提供了许多可应用的发明构思，其可以体现在各种特定的环境中。所讨论的具体实施例仅是为了说明制造和使用本本发明的具体方式，并不限制本发明的范围，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本系统的结构示意图。

附图中，101-激光器、200-硅基光学芯片、201-硅基耦合器一、202-分束器一、203-分束器二、204-硅基相移器一、205-光电探测器一、206-硅基耦合器二、207-硅基耦合器三、208-参考干涉仪结构、209-分束器三、210-硅基相移器二、211-分束器四、212-光电探测器二、213-光电探测器三、300-光纤传感组件、301-传感探头、302-反射镜一、302-反射镜二、400-信号处理模块。

具体实施方式

以下对本发明优选实施例的制作和应用进行详细讨论。但应理解的是，本发明提供了许多可应用的发明构思，其可以体现在各种特定的环境中。所讨论的具体实施例仅是为了说明制造和使用本发明的具体方式，并不限制本发明的范围。

实施例1：

一种基于集成光学芯片的光纤传感系统及其方法，包括激光器101、硅基光学芯片200、光纤传感组件300和信号处理模块400；所述硅基光学芯片200包括硅基耦合器一201、分束器一202、分束器二203、硅基相移器一204、硅基耦合器二206、硅基耦合器三207、光电探测器一205和参考干涉仪结构208；所述激光器101依次与硅基耦合器一201、分束器一202相连，所述分束器一202的高分束比输出端口与分束器二203的一个输入端口相连，所述分束器二203的另一输入端口直接与光电探测器一205相连并输出至信号处理模块400；分束器二203分别输出信号臂和参考臂，所述信号臂与硅基耦合器二206相连并输出至光纤传感组件300，所述参考臂依次与硅基相移器一204、硅基耦合器三207相连并输出至光纤传感组件300；所述分束器一202的低分束比输出端与参考干涉仪结构208相连，并最终通过光电探测器二212和光电探测器三213分别输出至信号处理模块400。

所述参考干涉仪结构包括分束器三209、硅基相移器二210、分束器四211、光电探测器二212和光电探测器三213；所述分束器三209的一个输出端与硅基相移器二210相连并输出至分束器四211，所述分束器三209另一输出端直接与分束器四211相连；所述分束器四211分束后分别与光电探测器二212、光电探测器三213相连，并分别输出至信号处理模块400。

所述信号处理模块400用于输出激光器101的驱动信号和硅基相移器一204、硅基相移器二210的调制信号，同时对光电探测器一205、光电探测器二212、光电探测器三213的输出电信号进行解调分析。

所述光纤传感组件300包括信号光路和参考光路；所述信号光路包括传感探头301和反射镜一302，并通过光纤依次与硅基耦合器二206相连；所述信号光路包含至少一个传感探头301；所述传感探头301包含至少两个端口；所述参考光路包括反射镜二302，并通过光纤与硅基耦合器三207相连；所述硅基相移器二206优选为延时波导结构。

所述参考干涉仪由1×2分束器三209、硅基相移器二210、2×2分束器四211、光电探测器二212、光电探测器三213及连接在相应部件之间的波导构成；所述分束器二203和分束器四211优选为2×2多模干涉仪MMI结构或定向硅基耦合器，分束比优选为50：50；所述分束器一202和分束器三209为Y波导结构或1×2多模干涉仪MMI结构或定向硅基耦合器；所述分束器一202分束比优选采用10：90；分束器三209分束比优选为50：50。

所述硅基光学芯片200为基于SOI材料平台工艺时，所述光电探测器一205，优选为硅基锗光电探测器或硅探测器；所述硅基光学芯片200为基于SiN、SiON、SiO2材料工艺平台时，所述光电探测器二212、光电探测器三213优选为硅探测器或通过异质集成的InGaAs光电探测器。

优选的，所述硅基相移器一204用于产生调制载波信号,假设调制信号的调制幅度为C,调制载波频率为Ꞷ _c ，待测信号与环境系统等低频噪声影响为φ（t），光学传感组件产生的待测信号为Ꞷ _s （t），环境系统等低频噪声信号为ψ（t），为简单计假设解调单频信号有：φ（t）=Dcos(Ꞷ _s t)+ψ（t），其中Ꞷ _s 为待测信号的角频率，干涉仪输出强度可以表示为：

I=A+Bcos[Ccos（Ꞷ _c t）+φ（t）]，其中A正比于激光输出功率，B=vA，v<1为干涉对比度。

一种基于光纤传感系统的处理干涉仪信号的方法，其特征在于包括以下步骤。

S1：让干涉仪输出信号与信号处理模块生成的载波信号Gcos(Ꞷ _c t)和Hcos(Ꞷ _c t)分别相乘混频，其中G和H分别为载波信号幅值。

S2：混频后各自通过一个截止频率低于载波信号的LPF滤波，并得到两个正交信号：

I_1s =-BGJ ₁(C)sinφ（t）

I_2s =-BGJ ₂(C)sinφ（t）。

S3：将S2中的两个正交信号分别微分、与微分结果交叉相乘，然后将两个乘积相减，对其结果进行积分可得到：

V=B ² GHJ ₁(C)J₂(C) φ(t)=B ² GHJ ₁(C)[Dcos(Ꞷ _c t)+ψ(t)]，上式包含了待测信号的幅度、频率信息以及环境系统等低频噪声影响，通常后者是缓变信号，可以通过高通滤波滤除后得到待测信号信息。

实施例2：

一种基于光纤传感系统的降噪方法，其特征在于包括以下步骤。

S1：输入参考干涉仪结构的光束首先经过分束器三后被分为上下两路光，假设两路光场振幅均为E，容易计算出经过分束器四211后的两路光强为：

P ₁=1/2|E ²|（1-cosφ）

P ₂=1/2|E ²|（1+cosφ）

其中

为硅基耦合器一211产生的固定相移，L为硅基耦合器一201的长 度，n延时波导等效折射率，λ为激光器101输出光信号的中心波长，c为真空中光速。

因此有P ₂-P ₁=|E ²|cosφ，其中φ为激光器101中心频率处解调出的相位差，为已知量，即硅基相移器二210处产生的固定相位差。

S2：因此任何激光器101频率漂移导致的相位延迟φ的偏差都会直接转换为直接探测解调结果相位差φ ^’ 与φ的偏差：

P ₂-P ₁=|E ²|cosφ ^’ -|E ²|cosφ，其中P ₁和P ₂都是可以被系统探测的确定量。

S3：信号处理模块400根据计算的φ ^’ 与φ的偏差调整激光器101驱动信号，降低激光器101因环境或长时间累计运行等影响引入系统的相位噪声。

尽管说明书已经作了详细描述，但是应该理解的是，在不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出多种改变、替换和变更。此外，所描述的具体实施例并不用于限定本发明的范围，本领域普通技术人员基于本发明能够容易理解，当前存在的或以后待开发的处理、机器、制造、物质组成、手段、方法、或者步骤可执行与本发明实施例实质相同的功能或获得实质相同的结果。因此，所附权利要求旨在将此类过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包括在其范围内。

Claims (11)

1.一种基于集成光学芯片的光纤传感系统及其方法，其特征在于：包括激光器、硅基光学芯片、光纤传感组件和信号处理模块；所述硅基光学芯片包括硅基耦合器一、分束器一、分束器二、硅基相移器一、硅基耦合器二、硅基耦合器三、光电探测器一和参考干涉仪结构；所述激光器依次与硅基耦合器一、分束器一相连，所述分束器一的高分束比输出端口与分束器二的一个输入端口相连，所述分束器二的另一输入端口直接与光电探测器一相连并输出至信号处理模块；分束器二分别输出信号臂和参考臂，所述信号臂与硅基耦合器二相连并输出至光纤传感组件，所述参考臂依次与硅基相移器一、硅基耦合器三相连并输出至光纤传感组件；所述分束器一的低分束比输出端与参考干涉仪结构相连，并最终通过光电探测器二和光电探测器三分别输出至信号处理模块。

2.如权利要求1所述的一种基于集成光学芯片的光纤传感系统及其方法，其特征在于：所述参考干涉仪结构包括分束器三、硅基相移器二、分束器四、光电探测器二和光电探测器三；所述分束器三的一个输出端与硅基相移器二相连并输出至分束器四，所述分束器三另一输出端直接与分束器四相连；所述分束器四分束后分别与光电探测器二、光电探测器三相连，并分别输出至信号处理模块。

3.如权利要求1所述的一种基于集成光学芯片的光纤传感系统及其方法，其特征在于：所述信号处理模块用于输出激光器的驱动信号和硅基相移器一、硅基相移器二的调制信号，同时对光电探测器一、光电探测器二、光电探测器三的输出电信号进行解调分析。

4.如权利要求1所述的一种基于集成光学芯片的光纤传感系统及其方法，其特征在于：所述光纤传感组件包括信号光路和参考光路；所述信号光路包括传感探头和反射镜一，并通过光纤依次与硅基耦合器二相连；所述信号光路包含至少一个传感探头，所述传感探头包含至少两个端口；所述参考光路包括反射镜二，并通过光纤与硅基耦合器三相连。

5.如权利要求1所述的一种基于集成光学芯片的光纤传感系统及其方法，其特征在于：所述硅基相移器二优选为延时波导结构；所述参考干涉仪由1×2分束器三、硅基相移器二、2×2分束器四、光电探测器二、光电探测器三及连接在相应部件之间的波导构成。

6.如权利要求1所述的一种基于集成光学芯片的光纤传感系统及其方法，其特征在于：所述分束器二和分束器四优选为2×2多模干涉仪MMI结构或定向硅基耦合器，分束比优选为50：50；所述分束器一和分束器三为Y波导结构或1×2多模干涉仪MMI结构或定向硅基耦合器；分束器一分束比优选采用10：90；分束器三分束比优选为50：50。

7.如权利要求1所述的一种基于集成光学芯片的光纤传感系统及其方法，其特征在于：所述硅基光学芯片为基于SOI材料平台工艺时，所述光电探测器一采用硅基锗光电探测器或硅探测器。

8.如权利要求7所述的一种基于集成光学芯片的光纤传感系统及其方法，其特征在于：所述硅基光学芯片为基于SiN、SiON、SiO₂材料工艺平台时，所述光电探测器二、光电探测器二、光电探测器三优选为硅探测器或通过异质集成的InGaAs光电探测器。

9.如权利要求5所述的一种基于集成光学芯片的光纤传感系统及其方法，其特征在于：所述硅基相移器用于产生调制载波信号,假设调制信号的调制幅度为C,调制载波频率为Ꞷ _c ，待测信号与环境系统等低频噪声影响为φ（t），光学传感组件产生的待测信号为Ꞷ _s （t），环境系统等低频噪声信号为ψ（t），为简单计假设解调单频信号有：φ（t）=Dcos(Ꞷ _s t)+ψ（t），其中Ꞷ _s 为待测信号的角频率，干涉仪输出强度可以表示为：

I=A+Bcos[Ccos（Ꞷ _c t）+φ（t）]

其中A正比于激光输出功率，B=vA，v<1为干涉对比度。

10.一种基于光纤传感系统的信号处理方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：让干涉仪输出信号与信号处理模块生成的载波信号Gcos(Ꞷ _c t)和Hcos(Ꞷ _c t)分别相乘混频，其中G和H分别为载波信号幅值；

S2：混频后各自通过一个截止频率低于载波信号的LPF滤波，并得到两个正交信号：

I_1s =-BGJ ₁(C)sinφ（t）

I_2s =-BGJ ₂(C)sinφ（t）

S3：将S2中的两个正交信号分别微分、与微分结果交叉相乘，然后将两个乘积相减，对其结果进行积分可得到：

V=B ² GHJ ₁(C)J₂(C) φ(t)=B ² GHJ ₁(C)[Dcos(Ꞷ _c t)+ψ(t)]

上式包含了待测信号的幅度、频率信息以及环境系统等低频噪声影响，通常后者是缓变信号，可以通过高通滤波滤除后得到待测信号信息。

11.一种基于光纤传感系统的降噪方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：输入参考干涉仪结构的光束首先经过分束器三后被分为上下两路光，假设两路光场振幅均为E，容易计算出经过定分束器四后的两路光强为：

P ₁=1/2|E ²|（1-cosφ）

P ₂=1/2|E ²|（1+cosφ）

其中，

为硅基耦合器一产生的固定相移，L为硅基耦合器一的长度，n延时波 导等效折射率，λ为激光器输出光信号的中心波长，c为真空中光速；

因此有P ₂-P ₁=|E ²|cosφ，其中φ为激光器中心频率处解调出的相位差，为已知量，亦即硅基相移器二处产生的固定相位差；

S2：因此任何激光器频率漂移导致的相位延迟φ的偏差都会直接转换为直接探测解调结果相位差φ ^’ 与φ的偏差：

P ₂-P ₁=|E ²|cosφ ^’ -|E ²|cosφ，其中P ₁和P ₂都是可以被系统探测的确定量；

S3：信号处理模块根据计算的φ ^’ 与φ的偏差调整激光器驱动信号，来降低激光器因环境或长时间累计运行等因素的影响而引入系统的相位噪声。

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