CN116540353A - 一种用于光纤光栅解调的阵列波导光栅系统及解调方法 - Google Patents
一种用于光纤光栅解调的阵列波导光栅系统及解调方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种用于光纤光栅解调的阵列波导光栅系统，包括：光开关，以及连接光开关的第一输入波导阵列和第二输入波导阵列，第一输入波导阵列包括M根输入波导，第二输入波导阵列包括M根输入波导，第一输入波导阵列连接第一自由传播区，第二输入波导阵列连接第二自由传播区，第一自由传播区与第二自由传播区之间连接阵列波导光栅；第二自由传播区连接第一输出波导阵列，第一自由传播区连接第二输出波导阵列，第一输出波导阵列包括N根输出波导，第二输出波导阵列包括N根输出波导。本发明利用光开光和双边输入结构，实现光谱带宽及斜率的双参数优化，增大AWG‑FBG解调系统的动态范围，且提高其解调分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅解调、集成光电子学、片上光谱仪技术领域，特别是涉及一种用于光纤光栅解调的阵列波导光栅系统及解调方法。
背景技术
FBG传感器(布拉格光纤光栅)及FBG解调(Fieber Bragg grating interrogator，FBGI)系统经过几十年的发展，已在土木建筑、电力系统、轨道交通等领域得到广泛应用，并已逐步扩展到精密器械、智慧医疗、航空航天等领域。在精密器械领域，如光刻机、电子显微镜、水听器等，需要极高分辨率的光纤光栅应变、温度传感器及解调系统，以校正机械的纳米振动以及毫开尔文(mK)量级的温度误差；在智慧医疗领域，需要极高灵敏度的光纤光栅传感器及解调系统，可用于心脏消融、腹腔镜手术、微创器械的定位传感、触觉传感、形状传感等；在航空航天领域，需要极小尺寸的光纤光栅传感器及解调系统，用于飞机、空间站、卫星、变体飞行器、无人平台/装备等的结构监测、微重力/轨道位置监测、辐射、太空极端环境等的监测。尤其在航空航天领域，为了掌握飞行器结构所处状态、了解飞行器内外部工作环境，保证飞行器正常飞行，需要对飞行器的各种参数进行实时监测控制，要安装的各种光纤光栅传感器数量可达数百上千，由于飞行器受载重量和空间狭小的限制，这就要求相应的光纤光栅波长解调系统也应具有尺寸小、重量轻、功耗低等特点。
如今商用的解调系统一般基于分立的自由空间光学和光电子元器件，如可调滤波器、可调谐光源、马赫曾德尔干涉仪以及电荷耦合元件(Charge coupled device，CCD)等，且均已发展成熟并具有良好的性能，但是随着应用领域的不断扩展以及技术发展水平的不断提高，人们对FBG波长解调系统的性能提出了新的要求，即要向着尺寸更小、重量更轻、功耗更低、速率更高、稳定性更好等方向发展。因此，有必要寻找一种新的方法实现FBG传感器波长的精确解调，而光子集成回路(Photonic Integrated Circuit，PIC)的兴起和发展为FBG解调系统性能的进一步优化、成本进一步降低提供了可能。PIC技术将光发射、光耦合、光传输、光处理以及光接收等器件利用平面光波导连接并集成到同一衬底上，因此能够获得更小的尺寸以及更高的稳定性，同时也具有更轻的重量和更低的功耗。
基于PIC技术的解调系统一般采用阵列波导光栅(Arrayed waveguide grating，AWG)作为其核心分光器件，并利用不同的解调方法进行解调，如边缘滤波法、可调谐滤波法、相对强度解调法等，其中相对强度解调法理论上不受光源输出光功率抖动及FBG带宽等的制约，且利用两路信号解调一个FBG波长，精度相对较高，另外由于该解调方案无任何机械运动部件，理论上可以达到很高的解调速率，因此相对强度解调法备受青睐。
如图1所示现有技术中阵列波导光栅对FBG波长解调的原理示意图，AWG具有波分解复用功能，可以将宽谱光解复用为具有不同峰值波长的高斯型透射谱，不同峰值波长的光经不同的输出通道输出。
图1(b)中AWG channel i、channel i+1为AWG第i通道与第i+1通道的透射谱波形。图1(a)中从宽谱光源发出的光，经环形器到达FBG，经FBG反射回来某波长(λFBG)的窄带高斯光，该高斯光束经由环形器进入AWG，AWG各输出通道的光强为光源发射谱、FBG反射谱和AWG透射谱三者的乘积在整个光谱范围的积分，如图1(b)阴影部分所示。假设AWG和FBG的光谱均为理想高斯函数(分别见公式(1)和公式(2))，则AWG相邻通道输出光功率的比对数与FBG的中心波长(λFBG)呈线性关系(见公式(3))。当FBG的反射波长随外界压力或温度等的变化而发生漂移时，AWG相邻两通道输出光功率(Pi、Pi+1)的分布就会发生变化。每个AWG输出通道后连接一个探测器(Photodetector,PD)，由此光信号转换为电信号，利用数据采集电路及分析电路处理AWG每个输出通道的光功率分布情况，进而由解调函数求得经由FBG反射回来的光信号的波长变化情况，完成解调。
其中，T0和R0为AWG与FBG传输谱的归一化因子；λi和λFBG为AWG第i通道与FBG的峰值波长；Δλi和ΔλFBG为AWG第i通道与FBG光谱半高宽。
根据基于AWG的FBG解调系统(下文简写为AWG-FBG)工作原理及相对强度解调算法，其单点检测的动态范围受AWG相邻通道光谱交叠制约，当AWG相邻通道光谱交叠程度足够大时，才能使两个PD均给出可读的光电流信号，得到具有较大解调范围的AWG-FBG解调系统。为了增大AWG相邻通道光谱交叠，一般采取增大AWG通道带宽的方案，但这种增大带宽的方法降低了AWG输出光谱的斜率，从而导致在给定自由光谱范围(Free Spectrum Range，FSR)下，AWG-FBG的解调波长分辨率降低。因此，在不降低其他性能(如精度、复用能力等)的前提下，如何同时提升动态范围和波长分辨率，成为制约AWG-FBG系统性能的关键核心问题，也是国内外相关研究聚焦的主要方向。
发明内容
为了解决现有技术中阵列波导光栅对布拉格光纤光栅(FBG)解调存在动态范围小、解调分辨率不高的技术问题，本发明的一个目的在于提供一种用于光纤光栅解调的阵列波导光栅系统，所述阵列波导光栅系统包括：
光开关，以及连接所述光开关的第一输入波导阵列和第二输入波导阵列，所述第一输入波导阵列包括M根输入波导，所述第二输入波导阵列包括M根输入波导，
所述第一输入波导阵列连接第一自由传播区，所述第二输入波导阵列连接第二自由传播区，所述第一自由传播区与所述第二自由传播区之间连接阵列波导光栅；
所述第二自由传播区连接第一输出波导阵列，所述第一自由传播区连接第二输出波导阵列，所述第一输出波导阵列包括N根输出波导，所述第二输出波导阵列包括N根输出波导。
优选地，所述光开关包括分束MMI和合束MMI，所述分束MMI和合束MMI之间设置热调制臂。
优选地，所述第一输出波导阵列连接第一光电探测器，所述第二输出波导阵列连接第二光电探测器。
本发明的另一个目的在于提供一种光纤光栅解调方法，使用本发明提供的一种用于光纤光栅解调的阵列波导光栅系统对光纤光栅的反射光进行解调。
本发明提供的一种用于光纤光栅解调的阵列波导光栅系统及解调方法，利用光开光和双边输入结构，在AWG中引入输入光信号的相位差分，从而将AWG的输出光谱在频域及时域上密集化，实现光谱带宽及斜率的双参数优化，增大AWG-FBG解调系统的动态范围，且提高其解调分辨率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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他的附图。
图1示意性示出了现有技术中阵列波导光栅对FBG波长解调的原理示意图。
图2示出了本发明一个实施例中一种用于光纤光栅解调的阵列波导光栅系统的结构示意图。
图3示出了本发明一个实施例中一种用于光纤光栅解调的阵列波导光栅系统对光纤光栅解调过程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的上述以及其他特征和优点更加清楚，下面结合附图进一步描述本发明。应当理解，本文给出的具体实施例是出于向本领域技术人员解释的目的，仅是示例性的，而非限制性的。
基于阵列波导光栅(arrayed waveguide grating,AWG)的光纤光栅(fiber Bragggrating,FBG)解调系统的解调性能主要受AWG相邻两通道光谱交叠程度及光谱分辨率共同制约。受AWG光谱特性的限制，AWG-FBG解调系统存在动态范围小、解调分辨率不高的问题。
为了解决现有技术中阵列波导光栅对布拉格光纤光栅(FBG)解调的技术问题，如图2所示本发明一个实施例中一种用于光纤光栅解调的阵列波导光栅系统的结构示意图，根据本发明的的实施例提供一种用于光纤光栅解调的阵列波导光栅系统，包括：光开关100，以及连接光开关100的第一输入波导阵列200和第二输入波导阵列200’。光开关100包括分束MMI(多模干涉耦合器)101和合束MMI102，分束MMI和合束MMI之间设置热调制臂103。经过布拉格光纤光栅(FBG)反射的光作为输入光，输入至光开关100。
根据本发明的实施例，第一输入波导阵列200包括M根输入波导(输入波导1、输入波导2、……、输入波导M)，第二输入波导阵列200’包括M根输入波导(输入波导M+1、输入波导M+2、……、输入波导2M)。
第一输入波导阵列200连接第一自由传播区(Free propagation region，FPR)300，第二输入波导阵列200’连接第二自由传播区400。第一自由传播区300与第二自由传播区400之间连接阵列波导光栅800。
第二自由传播区400连接第一输出波导阵列600，第一自由传播区300连接第二输出波导阵列600’。第一输出波导阵列600包括N根输出波导(输出波导1、输出波导2、……、输出波导N)，第二输出波导阵列600’包括N根输出波导(输出波导N+1、输出波导N+2、……、输出波导2N)。
第一输出波导阵列600连接第一光电探测器500，第二输出波导阵列600连接第二光电探测器700，将光信号转换为电信号。
本发明通过上述提供的一种用于光纤光栅解调的阵列波导光栅系统对光纤光栅的反射光进行解调。
本发明经过光开关100实现双边输入，利用AWG结构对称的特点，可以在不增大器件尺寸、不改变器件性能的前提下，在频域上增加输出通道数及输出光谱数量。采用光开光100在不引入额外损耗的情况下，在时域上增加光谱信息量，从而进一步增大光谱交叠。
工作过程为：经过布拉格光纤光栅反射的光作为输入光输入到光开光100，经由1×2M的光开关100，分别连接第一输入波导阵列200和第二输入波导阵列200’。其中，第一输入波导阵列200将1至M路光(共M路)从第一自由传播区300输入，经阵列波导光栅800，由第二自由传播区400输出，并经过第一输出波导阵列600输出1至N路光(共N路)。
第二输入波导阵列200’将M+1至2M路光(共M路)从第二自由传播区400输入，经阵列波导光栅800，由第一自由传播区300输出，并经第二输出波导阵列600’输出N+1至2N路光(共N路)。在给定的任意时间里，利用光开关100，仅有一个输入通道打开。
AWG输入/输出波导各种在空间上均匀分布，通过设置合适的输入波导位置及输入相位差，使输入信道间隔(Δλi)与输出信道间隔(Δλo)满足Δλi＝Δλo/M，使得在一个自由传播区内，不同输入输出组合的所有峰值波长都不同。
这样，2M路输入和2N路输出的不同组合可以表示为2M×2N矩阵Ppos，如下式所示：
矩阵Ppos中的元素表示不同输入/输出信道组合的峰值波长。每一行代表同一输入波导输入时，不同输出波导输出的光功率；每一列代表不同输入波导输入时，同一输出波导输出的光功率，矩阵元素是从给定输入到给定输出的响应光功率值。
实施例中，以M＝3，N＝5为例，对本发明一种用于光纤光栅解调的阵列波导光栅系统对光纤光栅的反射光进行有效功率数据提取和解调过程进行说明。如图3所示本发明一个实施例中一种用于光纤光栅解调的阵列波导光栅系统对光纤光栅解调过程示意图，实施例中，以布拉格光纤光栅具有4个光栅(FBG1、FBG2、FBG3和FBG4)的反射光为例。
控制光开光100使得输入光从第一输入波导阵列200的三根输入波导(1～3)输入。从第一输出波导阵列600的五根输出波导(1～5)输出，从第二输入波导阵列200’的三根输入波导(4～6)分别输入，从第二输出波导阵列600’的五根输出波导(6～10)输出。
本发明采用双边输入和时分复用技术后，在任一时刻，输入光仅从一个输入波导输入，当光分别从输入波导1～3输入时，将从输出波导1～5输出，当光从输入波导4～6输入时，将从输出波导6～10输出，可见双侧输入结构并未影响AWG光谱特性(带宽、损耗、串扰、波长分辨率等)，因而不会影响解调分辨率和精度。同时双边输入和时分复用技术可以增大频域(波长)内的光谱范围，将光谱从C波段扩展至C+L波段，且将可解调的FBG数量从2个增大到4个以上，增大了该光学系统的复用能力。
对于布拉格光纤光栅的光栅FBG1，利用第2输出通道和第3输出通道的光功率进行解调。
当光从从第一输入波导阵列200的三根输入波导(1～3)输入时，得到的输出光功率分别为(P12,P13)，(P22,P23)，(P32,P33)。图3中所示FBG1位置，从第1输入通道输入时，P13将淹没在噪声中而无法精确读取，不能解调出FBG1的波长值，但利用(P22,P23)和(P32,P33)两组数值均可解调出FBG1的峰值波长，在选择时，选择min{|P22-P23|,|P32-P33|作为最终解调函数中的Pi和Pi+1值，实施例中输出光功率为(P32,P33)时，两值都比较大，且两值之差最小，处于波导阵列光栅光谱分辨率最陡的位置，将获得更高的波长解调分辨率。同时，波导阵列光栅的信道间隔为10nm，即单个光栅的动态范围高达10nm。FBG2～FBG4的有效功率数据提取和解调过程与上述FBG1的相同。
在一些实施例中，M和N的值根据实际项目需求进行调整。同时需注意，由于时分复用技术的引入使得波导阵列光栅中心波长发生变化，在利用(P32,P33)等不同时刻的输出值求解FBG波长时，需在解调函数求解的基础上，加入该波长差值，不同时刻，波长差值不同。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (4)
1.一种用于光纤光栅解调的阵列波导光栅系统，其特征在于，所述阵列波导光栅系统包括：
光开关，以及连接所述光开关的第一输入波导阵列和第二输入波导阵列，所述第一输入波导阵列包括M根输入波导，所述第二输入波导阵列包括M根输入波导，
所述第一输入波导阵列连接第一自由传播区，所述第二输入波导阵列连接第二自由传播区，所述第一自由传播区与所述第二自由传播区之间连接阵列波导光栅；
所述第二自由传播区连接第一输出波导阵列，所述第一自由传播区连接第二输出波导阵列，所述第一输出波导阵列包括N根输出波导，所述第二输出波导阵列包括N根输出波导。
2.根据权利要求1所述的阵列波导光栅系统，其特征在于，所述光开关包括分束MMI和合束MMI，所述分束MMI和合束MMI之间设置热调制臂。
3.根据权利要求1所述的阵列波导光栅系统，其特征在于，所述第一输出波导阵列连接第一光电探测器，所述第二输出波导阵列连接第二光电探测器。
4.一种光纤光栅解调方法，其特征在于，使用权利要求1至3中任一权利要求所述的列波导光栅系统对光纤光栅的反射光进行解调。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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