一种用于光纤光栅解调的阵列波导光栅系统及解调方法

本发明涉及光纤光栅解调、集成光电子学、片上光谱仪，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：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

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9、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。

10、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。

技术实现思路

1、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：

2、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，

3、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；

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

技术特征：

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：

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。

技术总结
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。

技术研发人员：董明利,李科,袁配,鹿立单,祝连庆
受保护的技术使用者：北京信息科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14