采用阵列波导光栅和马赫-曾德尔干涉仪的光纤光栅传感器大线性动态范围波长解调器

《Optics Communications》：Large Linear Dynamic Range Wavelength Interrogator Employing Arrayed Waveguide Grating and Mach-Zehnder Interferometers for FBG Sensors

　　

摘要

具有体积小、重量轻、低功耗、高精度和大线性波长动态范围的光纤布拉格光栅（FBG）传感器读出单元，在航空航天应用中极具前景。在此，我们提出了一种基于阵列波导光栅（AWG）滤波器的新型多路复用 FBG 读出单元。AWG 将多个传感信号分离，将每个通道连接到特别设计的单、双或双双马赫 - 曾德尔干涉仪（MZI），用于基于 MZI 输出端口功率比的解调。为了实现大的线性检测范围，优化了每个 MZI 的合束耦合器系数。对于双 MZI 解调，两个仅通过使用 1×2 和 2×2 MMI 输入耦合器区分开来的相同 MZI 之间的 λ/4 光谱偏移，覆盖了一个完整的自由光谱范围（FSR）。对于双双 MZI 方案，粗调 - 细调解调原理在理论上将无歧义询问范围扩展到了较小 FSR MZI 的两个 FSR。在实验中，我们演示了由两组单 MZI（FSR 为 3 nm）、两组双 MZI（FSR 为 3 nm）和两组双双 MZI（FSR₁ 为 3 nm 和 FSR₂ 为 6 nm）解调结构级联而成的 1×6 AWG 滤波器。实验上，双 MZI 方案在大约一个 3 nm FSR 范围内得到验证，而双双 MZI 方案仅在大约 2.8 nm 的可用 FBG 波长偏移范围内进行了评估。相对于商用解调仪，测得的均方根误差（RMSE）值低于 5.3 pm。

引言

光纤布拉格光栅传感器通过监测布拉格波长漂移，非常适合测量各种工程参数，如温度、应变、压力、位移、加速度，以及各种工业、生物医学和化学物质的存在，且在静态和动态工作模式下均适用 [1], [2], [3], [4]，这得益于其紧凑性、对恶劣环境的高抗逆性、电磁干扰免疫性、大检测范围等优点。关于 FBG 布拉格波长漂移的光学读出单元的研究始终活跃 [5], [6], [7]，特别是在近年来，在能源生产、交通、汽车 [5] 和航空航天 [6], [7] 等应用中，非常渴望获得具有低成本、轻量、低功耗和高精度的微型 FBG 解调仪，在这些领域中，稳健性、重量和功耗都有严格要求。采用光子集成技术的 FBG 解调仪可以将光源、调制器、波导器件和探测器集成在单个芯片上，体积小巧，非常有望满足上述需求 [8], [9], [10]。

基于光子集成电路（PIC）有几种方法询问 FBG 的波长漂移。一种典型的 FBG 波长读出方案是采用具有相邻输出通道之间特殊设计的光谱重叠的阵列波导光栅（AWG），即大的信道带宽，因此相邻输出通道之间的功率比可用于实时监测 FBG 波长的位置 [11]。该技术最具吸引力的优势是，通过使用大通道数的 AWG，可以同时询问大量 FBG 传感器 [12]。然而，缺点是线性动态检测范围有限，即相邻输出通道之间的功率比仅在部分波长区域内线性，且询问范围限制在两个相邻通道内。为了解决这个问题，提出了使用具有超大信道带宽的 AWG 多个输出通道功率的技术，通过质心检测方法以高精度和大线性动态范围询问 FBG 波长漂移 [13], [14]。由于一个 FBG 传感器对应几个输出通道，需要解调的 FBG 传感器数量显著减少。第二种片上 FBG 传感器读出单元基于非平衡马赫 - 曾德尔干涉仪（MZI）解调器，可以将 FBG 传感器的布拉格波长漂移转换为光电探测器输出信号的相位变化 [8], [9], [15]。为了从 MZI 中提取精确的相位变化，通常需要需要有源相位解调方案在 MZI 的一个臂上施加外部相位调制 [9], [15]。第三种方法基于片上可调谐微环谐振器（MRR）[16], [17], [18]。通过利用顶部的金属加热器热调谐 MRR，可以通过系统输出的峰值光强 [16]、通过抖动信号 [17] 或通过直接检测环形谐振器落端口处的信号强度 [18] 来检测 FBG 波长漂移。该方法的主要问题是热调谐 MRR 的可靠性和稳定性令人担忧。类似于可调谐 MRR，还提出了一种利用可调谐半导体激光器的 FBG 解调仪，通过监测扫描激光波长时光电探测器处的功率变化来实现 [19]。尽管该方案精度高，但由于热光效应，扫描频率限制在几 kHz，同时检测系统通常非常复杂。

绝缘体上硅（SOI）平台在过去十年里引起了大量的研究兴趣，因为硅芯和氧化物包层之间的高折射率对比度可以实现低至几微米的超小弯曲半径，从而实现超高密度集成，并且与 CMOS 制造工艺兼容，允许在单个平台上与电子和光子器件完全集成，并以低成本大规模生产光电子器件。因此，它是一个非常有吸引力的候选平台，用于实现高性能的微型低成本 FBG 解调仪。

在本文中，我们提出了一种新型的 FBG 解调仪，通过在 SOI 平台上采用 AWG 滤波器和 MZI 用于 FBG 传感器，具有大的线性动态范围。AWG 作为预滤波器分离多个 FBG 信号，每个 FBG 信号由级联的 MZI 解调。为了实现 FBG 波长与 MZI 输出功率比之间的线性检测关系，专门优化了 MZI 的合束耦合器。此外，设计了一个具有四分之一个波长光谱响应偏移的双 MZI，以及两个 FSR 为另一个两倍的双 MZI，以增强线性动态检测范围。本文组织如下。第二节介绍了解调仪的原理。第三节展示了解调仪的设计和制造，第四节展示了实验结果。第五节讨论了如何进一步提高所提出解调仪的性能。第六节得出结论。与商用台式解调仪相比，本工作的目的并非声称目前的系统级性能优越，而是演示一种紧凑、无源、芯片级的询问架构。所提出解调方案的关键优势在于，它在 FBG 的动态范围内实现了 FBG 中心波长的线性和连续波长询问。通过使用具有优化合束耦合器和两个 MZI 之间特殊设计的 90°相位差的双 MZI 结构，线性动态询问范围可达 MZI 的一个 FSR。

章节片段

原理

图 1(a) 显示了使用 AWG 滤波器和多个 MZI 用于 FBG 传感器的所提出解调仪的原理图。AWG 的功能是分离刻写在单根光纤中的 FBG 传感器的多路复用波长，以便每个分离的 FBG 波长可以由由专门设计的 MZI 组成的级联解调单元唯一解调，即图 1(b) 所示的单 MZI 结构，并标有关键设计参数，双 MZI 结构

设计与制造

为了演示所提出的解调架构，设计了一个基于 220 nm 厚 SOI 平台的 1 × 6 800 GHz 间距 AWG 预滤波器，其输出通道 1 和 2、通道 3 和 4 以及通道 5 和 6 分别连接到单 MZI 结构、双 MZI 结构和双双 MZI 结构。AWG 的 FSR 设计为～ 42.6 nm。为了降低对制造缺陷引起的宽度波动的敏感性，两个波导臂之间的长度差

实验结果

在表征所制造的片上解调仪性能之前，我们首先使用可调谐激光源测量每个单独组件的光谱响应，即 AWG 预滤波器、MZI 以及 AWG 和 MZI 的级联光谱。图 7(a) 显示了信道间距为 6.4 nm 的 1 × 6 AWG 滤波器的传输光谱。6 个通道的片上传输范围从 -3 到 -0.7 dB。每个通道的 3-dB 带宽为～2.8 nm。3-dB 内的信道串扰

讨论

这里演示了三种不同的解调单元。对于单 MZI 解调，其线性询问范围限制在 MZI 的半个 FSR 内。双 MZI 解调具有一个完整 MZI FSR 的线性询问范围。理论分析表明，双双 MZI 配置可以将无歧义询问范围扩展到较小 FSR MZI 的两个 FSR；然而，实验中仅评估了大约 2.8 nm 的波长间隔

结论

我们设计、制造并表征了一种新型的片上 FBG 解调仪，由 AWG 预滤波器和基于 MZI 的解调单元组成。AWG 预滤波器用于分离多路复用 FBG 传感信号。每个 MZI 的合束耦合器经过优化，交叉耦合系数为 0.15 π，以最大化 FBG 峰值波长与 MZI 两个输出之间的功率比之间的线性询问范围。对于单 MZI 解调，线性询问范围可以超过

CRediT 作者贡献声明

颜雄硕 (Xiongshuo Yan)：方法，调查。范祝平 (Zhuping Fan)：方法，调查。庄媛 (Yuan Zhuang)：撰写 - 审阅与编辑，监督，资金获取，数据整理。李璇 (Xuan Li)：撰写 - 原稿，验证，方法，调查，形式分析。邹军 (Jun Zou)：撰写 - 审阅与编辑，监督，资金获取，形式分析，数据整理，概念化。李海彬 (Haibin Li)：撰写 - 审阅与编辑。戴迪海 (Dihai Dai)：调查，形式分析。郎婷婷 (Tingting Lang)：资源，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文中报告的工作。

数据可用性

数据将根据要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文中报告的工作。

致谢

本工作部分由中国国家自然科学基金资助（批准号 62375236），部分由浙江省自然科学基金资助（批准号 LY22F050011、LQ24F050003），部分由中国博士后科学基金资助（2024M752850）。

李璇 | 庄媛 | 范祝平 | 颜雄硕 | 王旭阳 | 马晓 | 郎婷婷 | 戴迪海 | 李海彬 | 邹军

浙江理工大学理学院，中国杭州 310023