基于陣列波導(dǎo)光柵的光纖布拉格光柵解調(diào)技術(shù)綜述*

李科 董明利 袁配 鹿利單 孫廣開 祝連慶?

1)(北京信息科技大學(xué),光電測試技術(shù)及儀器教育部重點實驗室,北京 100192)

2)(北京信息科技大學(xué),光纖傳感與系統(tǒng)北京實驗室,北京 100016)

3)(北京信息科技大學(xué),北京市光電測試技術(shù)重點實驗室,北京 100192)

基于陣列波導(dǎo)光柵的光子集成解調(diào)技術(shù)是硅光領(lǐng)域的研究熱點和難點.相比傳統(tǒng)解調(diào)方法,基于陣列波導(dǎo)光柵的光子集成解調(diào)技術(shù)因其解調(diào)精度高、解調(diào)速度快、封裝體積小等優(yōu)勢,在光纖布拉格光柵的高速、高精度解調(diào)上具有明顯優(yōu)勢.近年來,隨著光子集成技術(shù)的發(fā)展,各科研院所和相關(guān)機構(gòu)對陣列波導(dǎo)光柵的光子集成解調(diào)法進行了廣泛深入的研究與優(yōu)化.本文通過介紹陣列波導(dǎo)光柵工作原理及基于陣列波導(dǎo)光柵的光纖布拉格光柵波長解調(diào)原理,結(jié)合基于陣列波導(dǎo)光柵的光纖布拉格光柵解調(diào)儀在材料體系和系統(tǒng)性能兩個方面的重要進展,歸納了基于陣列波導(dǎo)光柵的解調(diào)儀的典型應(yīng)用場景,從新材料、系統(tǒng)集成和規(guī)?；矫鎸饫w布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)的未來發(fā)展提出針對性建議,為基于陣列波導(dǎo)光柵的光子集成解調(diào)技術(shù)的研究發(fā)展提供參考.

1 引言

光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating,FBG)作為一種新型的光纖無源器件,具備抗電磁干擾性強、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單等特點,在航空航天、深海探測等領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[1?3].目前,FBG傳感器在這些領(lǐng)域的應(yīng)用正朝著高低溫、極限加速度及高頻振動等極限環(huán)境測量方向不斷深入,其波長解調(diào)系統(tǒng)的分辨力、解調(diào)速度、范圍解調(diào)、動靜態(tài)波長解調(diào)和制造成本面臨更高需求和考驗.

為了實現(xiàn)對FBG 波長的解調(diào),從而得到FBG的波長編碼溫度或壓力變化,不同方法應(yīng)運而生,常見的解調(diào)方法有邊緣濾波法、匹配光柵濾波法[4]、可調(diào)諧法布里-珀羅濾波法[5]、非平衡馬赫-曾德爾干涉法[6]和可調(diào)諧窄帶光源法等.以上解調(diào)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)較為成熟,其優(yōu)缺點非常突出.邊緣濾波法的顯著優(yōu)勢是可以在靜態(tài)信號和動態(tài)信號監(jiān)測中表現(xiàn)出較好的解調(diào)能力,但其解調(diào)分辨率低、解調(diào)速度慢,適用于如振動信號監(jiān)測、水聲信號探測等解調(diào)要求不高的場所.匹配光柵濾波法的抗電磁干擾能力較強,結(jié)構(gòu)簡單,但由于每一個傳感FBG需要對應(yīng)一個匹配FBG,因此能檢測的FBG 數(shù)是有限的,此外,其解調(diào)速度也不高.可調(diào)諧法布里-珀羅濾波法的解調(diào)精度高,濾波效果好,但它不能用于動態(tài)信號的檢測,解調(diào)速度與價格也限制了其推廣.非平衡馬赫-曾德爾干涉法在對動態(tài)參量的測量中可以達到很快的響應(yīng)速度和很高的分辨率,但其抗電磁干擾能力差,不適用于檢測靜態(tài)波長變化.可調(diào)諧窄帶光源法有較高的分辨率和信噪比,但它的可調(diào)諧范圍窄且成本高,因此僅適用于特定場合的FBG 波長解調(diào),無法推廣使用.近年來,隨著光子集成回路(photonic integrated circuit,PIC)[7?13]的高速發(fā)展,基于PIC 技術(shù)的FBG 解調(diào)系統(tǒng)開始進入人們的視野,這種解調(diào)系統(tǒng)在保持高性能的同時具有結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低等特點,引起了人們對FBG 解調(diào)系統(tǒng)的尺寸、性能等方面的思考,從而展開了廣泛的研究.

PIC 技術(shù)可利用平面光波導(dǎo)將光發(fā)射、光耦合、光傳輸、光接收以及光處理等器件進行連接并集成到同一襯底上,解調(diào)系統(tǒng)的尺寸得以減小,穩(wěn)定性得以增強.基于PIC 技術(shù)的解調(diào)系統(tǒng)一般采用陣列波導(dǎo)光柵(arrayed waveguide grating,AWG)作為其核心分光器件.AWG 作為無源器件,內(nèi)部無機械運動部件,解調(diào)速度只受探測器(photodetector,PD)響應(yīng)速度和模擬/數(shù)字(analog/digital,A/D)采樣率的制約,同時,利用AWG的波分復(fù)用特性,可實現(xiàn)對多個FBG 傳感器的同時測量,以此可以實現(xiàn)FBG 的高速解調(diào).因此,基于AWG 的光子集成解調(diào)法具有尺寸小、解調(diào)速度快等優(yōu)勢,通過AWG 結(jié)構(gòu)設(shè)計,就有望在此基礎(chǔ)上設(shè)計出小型化、高精度、高速率的解調(diào)系統(tǒng).

本文從AWG 基本工作原理以及基于AWG的光子集成波長解調(diào)基本原理出發(fā),從材料和性能兩個方面介紹基于AWG 的FBG 解調(diào)儀的研究進展,并列舉了基于AWG 的FBG 解調(diào)儀的實際應(yīng)用,最后提出目前存在的主要問題和對未來發(fā)展的建議.

2 基于AWG 的解調(diào)儀解調(diào)原理

AWG 的基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示,主要包括輸入/輸出波導(dǎo)、輸入/輸出平板波導(dǎo)(自由傳播區(qū))、陣列波導(dǎo)等五部分組成,其中自由傳播平板波導(dǎo)采用羅蘭圓結(jié)構(gòu),即羅蘭圓與光柵圓相內(nèi)切,且羅蘭圓半徑為光柵圓的一半.含有多個波長的復(fù)用光波耦合進入輸入波導(dǎo),在輸入平板波導(dǎo)內(nèi)衍射發(fā)散,并耦合進入陣列波導(dǎo)區(qū).由于陣列波導(dǎo)端面均勻排列在光柵圓周上,所以衍射光以相同的相位到達陣列波導(dǎo)端面,然后經(jīng)過長度差為 ΔL的陣列波導(dǎo)傳輸后,產(chǎn)生了相位差,不同波長的相位差也不同,于是不同波長的光被輸出平板波導(dǎo)聚焦到不同的輸出波導(dǎo)位置,從不同的輸出波導(dǎo)輸出,完成解復(fù)用功能[14].

圖1 AWG 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Structural diagram of AWG.

基于AWG 的FBG 波長解調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示,從寬譜光源發(fā)出來的光,經(jīng)環(huán)形器到達FBG,從FBG 反射回來某波長的窄帶高斯光,該高斯光束經(jīng)由環(huán)形器進入AWG,AWG 的波分復(fù)用功能可實現(xiàn)分光,輸出的光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大濾波、A/D 數(shù)據(jù)處理完成對FBG 波長的解調(diào)[15].

圖2 基于AWG 的FBG 波長解調(diào)系統(tǒng)Fig.2.FBG wavelength interrogation system based on AWG.

基于AWG 的FBG 波長解調(diào)系統(tǒng)有多種解調(diào)方法,如可調(diào)諧濾波法、邊緣濾波法、相對強度解調(diào)法等.可調(diào)諧濾波法是將AWG 作為濾波器解調(diào),AWG 每個輸出通道的波長會隨AWG 溫度變化而變化,當某一輸出通道的光功率達到最大值時,FBG 的波長即為該通道的峰值波長.因此,只需知道AWG 波長隨溫度的變化規(guī)律,便可解調(diào)出FBG 的波長.

邊緣濾波法[16?18]解調(diào)原理如圖3 所示,其中λm?1,λm,λm+1是隨外界物理量變化而發(fā)生漂移的FBG 中心波長,Pλm?1,Pλm,Pλm+1是該AWG同一輸出通道與之對應(yīng)的輸出光功率,實線為AWG 輸出通道透射譜,虛線為FBG 反射譜.光從FBG 反射回來,其波長對應(yīng)一個AWG 輸出通道的通帶邊緣,FBG 中心波長的變化被轉(zhuǎn)換為該AWG 輸出通道傳輸?shù)墓夤β首兓?利用FBG 波長與AWG 輸出通道邊緣光功率關(guān)系可以實現(xiàn)對FBG 波長的解調(diào)[19].

圖3 AWG 邊緣濾波法波長解調(diào)原理圖Fig.3.Wavelength interrogation principle of edge filtering method using AWG.

相對強度解調(diào)法[20,21]理論上不受光源輸出光功率抖動及FBG 帶寬等的制約,其利用兩路信號解調(diào)一個FBG 波長,精度相對較高,因此相對強度解調(diào)法備受青睞.AWG 相對強度法波長解調(diào)原理如圖4 所示,FBG 中心波長為λFBGm,AWG 通道n和AWG 通道n+1 對應(yīng)的中心波長分別為λn和λn+1,AWG Ch(n)和Ch(n+1)為AWG 第n通道與第n+1 通道的透射譜波形.陰影部分Pn和Pn+1為寬譜光源發(fā)射譜、FBG 反射譜和AWG對應(yīng)輸出通道透射譜三者乘積在整個光譜范圍的積分,即AWG 相鄰兩通道的輸出光功率.當FBG的反射波長隨外界溫度或壓力等的變化而發(fā)生漂移時,FBG 的反射譜與AWG 相鄰兩通道透射譜疊加面積就會發(fā)生變化,即AWG 相鄰兩通道的輸出光功率發(fā)生變化[22,23].最后通過檢測AWG 相鄰兩通道的輸出光功率變化,根據(jù)光功率比對數(shù)與波長的關(guān)系即可解調(diào)出FBG 傳感器的波長偏移量.

圖4 AWG 相對強度法波長解調(diào)原理圖Fig.4.Wavelength interrogation principle of relative light intensity method using AWG.

AWG 波長解調(diào)系統(tǒng)中,AWG 通道n的透射譜函數(shù)和FBG 的反射譜函數(shù)為

其中,T0為AWG 傳輸譜的歸一化因子,R0為FBG 反射譜的歸一化因子,λ和λn為入射光波長和AWG 通道n的中心波長,λFBG為FBG 的中心波長,Δλn為AWG 通道n的半峰值帶寬,ΔλFBG為FBG 半峰值帶寬.

由(1)式和(2)式可得到通道n和通道n+1輸出光功率為

其中,Ln,Ln+1為n,n+1 通道的損耗因子.在同一個AWG 中,由于相鄰?fù)ǖ罁p耗相差很小,可假設(shè)Ln=Ln+1=L.IS(λ)為光源發(fā)射譜,由(1)式和(2)式可知,Pn和Pn+1主要由λn和λFBG決定,對于寬譜光源光譜來說,IS(λ)可視為一定值,即IS(λ)=IS.設(shè)AWG 通道間隔相同,即Δλ=λn+1?λn為常量.

假設(shè)同一AWG 各通道傳輸系數(shù)、半峰值帶寬相等,AWG 相鄰兩通道光功率比對數(shù)與FBG 中心波長關(guān)系為

(5)式即為AWG 波長解調(diào)原理公式,可以看出AWG 相鄰兩通道輸出光功率比對數(shù)與FBG 反射波長呈線性關(guān)系.只要能得到AWG 相鄰兩通道的輸出光功率,便可利用(5)式解調(diào)出FBG 的波長.

3 基于AWG 的解調(diào)系統(tǒng)研究進展

近年來,新技術(shù)、新原理、新材料的不斷出現(xiàn),特別是PIC 技術(shù)飛速發(fā)展,這為FBG 波長解調(diào)系統(tǒng)的小型化發(fā)展奠定了基礎(chǔ).基于AWG 的FBG波長解調(diào)系統(tǒng),包括寬譜光源、環(huán)形器、濾波器、探測器等功能器件,受功耗及封裝體積限制,傳統(tǒng)分立光電子元件的集成化是未來發(fā)展的必然趨勢.基于AWG 的FBG 波長解調(diào)儀經(jīng)歷了分立組裝、磷化銦(InP)單片集成、硅光子混合集成、二氧化硅(SiO2)有源-無源混合集成及聚合物混合集成技術(shù)的發(fā)展過程,如表1 所列[23?50].

表1 基于AWG 的FBG 波長解調(diào)系統(tǒng)研究進展Table 1.Research progress of FBG wavelength interrogation system based on AWG.

3.1 分立器件組裝

分立組裝的FBG 波長解調(diào)儀就是將寬帶光源、FBG 傳感器、AWG、探測器以及其他各光學(xué)器件分別封裝好并通過光纖將各分立光學(xué)器件相連[24?28].日本東京大學(xué)Kojima 等[24]制作出可用于彈性波檢測的高速光學(xué)波長解調(diào)儀,通過實驗證明了利用AWG 光學(xué)濾波器可以將FBG 傳感器的波長漂移轉(zhuǎn)換為輸出功率變化,無機械運動部件,適用于高速檢測.此外,它還具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、多點測量等優(yōu)點,但目前分立組裝的波長解調(diào)儀系統(tǒng)尺寸仍然很大.該團隊在后續(xù)研究中將此FBG/壓電混合傳感系統(tǒng)應(yīng)用于復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測[24]和水位監(jiān)控[26].

3.2 InP 單片集成

InP 材料作為直接帶隙半導(dǎo)體材料,是目前為止能夠真正意義上實現(xiàn)光源、無源波導(dǎo)、探測器單片集成的材料[29?34].Technobistft-fos 公司在InP平臺上實現(xiàn)了一種特殊設(shè)計的AWG[30],該AWG具有光譜通道交疊大的特點,可用作光譜儀對波長復(fù)用FBG 傳感器進行解調(diào).該AWG 在每個輸出處單片集成一個光電探測器,并且利用FBG 反射率和AWG 信道透射率之間光譜重疊的功率分布,計算出波長偏移,可解調(diào)的動態(tài)范圍為4000 με(4.8 nm),波長分辨率為5 pm.InP 材料能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)包括光源、探測器、無源波導(dǎo)等的單片集成,但是,InP 材料具有一定的偏振相關(guān)性,需要特殊的外部偏振處理方可使用,增大了系統(tǒng)的復(fù)雜性.

3.3 硅基混合/單片集成

隨著硅光子學(xué)的不斷發(fā)展,硅鍺探測器、硅基調(diào)制器、硅基無源光波導(dǎo)器件等硅光子單元器件被相繼研發(fā),硅基FBG 波長解調(diào)儀也相繼問世[35?41].2009 年,武漢理工大學(xué)的Wu 和Liu[35]設(shè)計了一種硅基AWG 光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng),采用改進的有限差分光束傳播法進行計算,實驗表明,該系統(tǒng)波長分辨率為1 pm.2014 年比利時根特大學(xué)Trita等[36]開發(fā)并報道了一種基于絕緣體上硅材料(silicon on insulator,SOI)AWG 的小型化解調(diào)儀,通過減小AWG 的衍射級數(shù)實現(xiàn)其通道間大的光譜交疊,探測器以倒裝焊的方式與AWG 的輸出耦合光柵進行耦合,光源采用了分立封裝的超輻射二極管(super luminescent diodes,SLD)模塊,并通過光纖與輸入耦合光柵進行耦合,光子芯片的尺寸僅為2.2 mm×1.5 mm.測得該解調(diào)儀可解調(diào)的波段覆蓋范圍可達40 nm,可以讀出8 個應(yīng)變傳感器及更多的溫度傳感器,其波長分辨率為10 pm.2015 年,該團隊對AWG 響應(yīng)進行了優(yōu)化[37],使用質(zhì)心探測技術(shù),允許同時檢測多個FBG 峰值.測得的解調(diào)儀分辨率為2.5 pm,可解調(diào)范圍為50 nm,尺寸為2.2 mm×1.5 mm.2017 年,天津工業(yè)大學(xué)李鴻強等[38]在SOI 片上制作了輸入/輸出光柵耦合器、多模干涉耦合器、AWG 集成芯片,并將該芯片與Ⅲ-Ⅴ族垂直面發(fā)射激光器和探測器進行混合集成,首次實現(xiàn)了硅基混合集成FBG 解調(diào)儀.該解調(diào)儀光子芯片尺寸為5 mm×3 mm,波長分辨率為1 pm,波長精度為± 10 pm.2018 年,李鴻強等[39]提出了一種超小型AWG,其核心尺寸小于530 μm×480 μm,該AWG 擁有良好的透射光譜和高偏振靈敏度,溫度解調(diào)實驗結(jié)果表明,基于超小型AWG 的FBG 解調(diào)系統(tǒng)在10—50 ℃范圍可實現(xiàn)高精度解調(diào).2020 年,他們又制作了SOIAWG 與Ge/Si-PD 單片集成的解調(diào)光芯片[40],促進了FBG 解調(diào)系統(tǒng)小型化的研究,為硅基光子集成技術(shù)的進一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ).2021 年,北京信息科技大學(xué)Weng 等[41]制作了一種基于SOI的8 通道AWG,尺寸小于335 μm×335 μm,該AWG 可以用于FBG 解調(diào)系統(tǒng),其動態(tài)范圍為1.2 nm,波長分辨率為1.27 pm,精度為20.6 pm.實驗結(jié)果表明,基于SOI-AWG 光子集成技術(shù)的FBG 解調(diào)系統(tǒng)具有良好的性能潛力,是FBG 傳感系統(tǒng)小型化的理想選擇.

3.4 SiO2 混合集成

SiO2材料成本低、制備工藝成熟、波導(dǎo)損耗低,并且SiO2波導(dǎo)與光纖耦合損耗極低、偏振相關(guān)性非常小,非常適合制作無源器件.將SiO2平面光波回路型(planar lightwave circuit,PLC)濾 波器、多模干涉儀等無源器件與Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體探測器芯片、光源等有源器件以及A/D 處理單元等混合集成,可有效簡化組裝工序,且可實現(xiàn)多通道波長解調(diào)[42?47].Redondo 光學(xué)公司在PLC 上實現(xiàn)了基于色散濾波器的FBG 傳感器解調(diào)系統(tǒng)[42,47].這項技術(shù)通過使用硅基SiO2襯底作為光學(xué)工作臺來實現(xiàn)有源和無源器件的混合集成,根據(jù)傳感通道數(shù)的不同,器件封裝尺寸從18.5 mm×18.5 mm×50 mm 到29 mm×29 mm×110 mm 不等.該系統(tǒng)提供了高速動態(tài)解調(diào),采樣率高達20 kHz,對于1 個檢測通道的動態(tài)范圍為10000 με,對于12 個檢測通道,其單通道動態(tài)范圍為2500 με.SiO2基混合集成的FBG 波長解調(diào)儀克服了分立系統(tǒng)復(fù)雜的組裝,結(jié)構(gòu)緊湊,功耗低,在目前技術(shù)水平下,也存在很大的競爭力.

3.5 聚合物混合集成

聚合物具有為多種應(yīng)用提供新一代高性價比光學(xué)傳感系統(tǒng)的巨大潛力[48?51].愛爾蘭都柏林理工學(xué)院Ramakrishnan 等[48]提出了一種小型化的柔性解調(diào)儀用于復(fù)合材料中的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(structural health monitoring,SHM),其馬赫-曾德爾干涉(Mach-Zehnder interferometer,MZI)電光器件和AWG 以聚酰亞胺為襯底,該材料足夠柔韌和堅固,并具有良好的熱穩(wěn)定性.測得1×6 通道的AWG 串擾為–34 dB,插入損耗小于10 dB.2015 年,德國克勞薩理工大學(xué)Koch 等[49]制作了一種用于高達兆赫范圍的高頻測量的FBG 解調(diào)儀,在聚合物上制造了13 通道,400 GHz 的AWG,采樣率為2.5 MS/s,將其用于碼頭起重機鋼絲監(jiān)測,斷線空間分辨率為2.4 mm.該團隊于2016 年研發(fā)了一種基于全聚合物AWG 的FBG 波長解調(diào)系統(tǒng)[50],2019 年將其用于電池監(jiān)控.他們所制備的AWG 使用環(huán)烯烴聚合物作為襯底材料,大大降低了材料成本、制造復(fù)雜性和后續(xù)處理的工作成本.該裝置在近紅外中心波長(850 nm)范圍內(nèi)工作時外圍元件如光源和探測器的成本較低,所獲得的精度可滿足觀察一個完整充電周期中單個電池的典型應(yīng)變行為的基本要求,該技術(shù)在未來的工作中還可以進行全聚合物傳感器系統(tǒng)的研究,對該領(lǐng)域的發(fā)展具有很大的促進作用.

3.6 不同材料平臺AWG 解調(diào)儀對比

由于不同材料體系固有的屬性,導(dǎo)致基于AWG的FBG 波長解調(diào)儀具有不同的優(yōu)缺點,具體如表2所列.

表2 不同襯底材料體系各自的優(yōu)缺點以及主要應(yīng)用場景Table 2.Advantages and disadvantages of different substrates and their main application scenarios.

其中,硅光子(Si/SOI 材料體系)作為與互補金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)工藝兼容的光電集成平臺[52],是近年來各大研究機構(gòu)及企業(yè)研究熱點,尤其是硅基各分立器件及集成器件的不斷問世,使其成為目前最具潛力與發(fā)展前景的陣列波導(dǎo)光柵FBG 解調(diào)系統(tǒng)平臺.

4 AWG 解調(diào)儀性能

AWG 作為AWG 解調(diào)儀的關(guān)鍵器件,在光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計階段需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)有衍射級數(shù)、陣列波導(dǎo)數(shù)、自由傳輸區(qū)長度、輸出波導(dǎo)間距等[53],進一步優(yōu)化設(shè)計時還需考慮3 dB 帶寬、串擾、插入損耗和損耗均勻性等性能參數(shù)[54].基于AWG的FBG 解調(diào)儀的波長分辨率與動態(tài)范圍、光譜響應(yīng)帶寬存在一定的關(guān)系,如波導(dǎo)間距從20 μm 增至30 μm 時,3 dB 帶寬可減少約50%[55],波長分辨率提高,但動態(tài)范圍會縮小[56].因此,在不降低精度的前提下同時優(yōu)化動態(tài)范圍和波長分辨率,是提高AWG 解調(diào)儀性能的關(guān)鍵.

4.1 動態(tài)范圍與波長分辨率

目前,在基于AWG 的PIC 型FBG 解調(diào)儀研究中,存在的主要問題是解調(diào)系統(tǒng)動態(tài)范圍及波長分辨率兩性能參數(shù)相互制約,不能同時達到最優(yōu).AWG 通道帶寬的有限性決定了FBG 解調(diào)系統(tǒng)動態(tài)范圍及波長分辨率相互制約[57],即只能在小動態(tài)范圍內(nèi)達到高波長分辨率,在大動態(tài)范圍內(nèi)的波長分辨率不高,從而導(dǎo)致對溫度、壓力等參數(shù)的解調(diào)范圍和分辨率有限.

為了提高解調(diào)儀性能,第1 種方法是對AWG透射譜進行針對性設(shè)計,如減小AWG 衍射級數(shù)實現(xiàn)大帶寬,增大相鄰兩通道透射譜的光譜交疊,從而增大解調(diào)儀的動態(tài)范圍.傳統(tǒng)的基于AWG 光子集成技術(shù)的波長解調(diào)儀,其解調(diào)分辨率與3 dB 帶寬有關(guān).增大AWG 光譜的3 dB 帶寬,在一定程度上能夠拓寬FBG 解調(diào)儀可測量的動態(tài)范圍,但解調(diào)函數(shù)曲線的斜率會隨著帶寬的增加而減小,波長分辨率會有一定的降低,如圖5 所示[54].因此僅僅依靠增大AWG 通道帶寬這一種方法,上述規(guī)律不會被打破,該方案是在動態(tài)范圍與波長分辨率兩性能之間的折中設(shè)計,兩者依然不能同時達到最優(yōu).

圖5 解調(diào)函數(shù)與3 dB 帶寬的關(guān)系[54]Fig.5.Dependence of interrogation function on the 3 dB bandwidth of AWG (W3 dB).[54].

第2 種方法引入游標效應(yīng)及時分復(fù)用技術(shù)[58],光學(xué)原理圖見圖6,系統(tǒng)硬件包括光分束器、光開關(guān)、AWG、PD 等.光源發(fā)出的光經(jīng)由1×M的光分束器等功率分為M路,每一路后接一個光開光,并分別連接AWG 的M路輸入波導(dǎo),輸入波導(dǎo)的信道間隔為 Δλi.AWG 的輸出通道數(shù)為N,輸出通道信道間隔為 Δλo,在給定的任意時間里,利用光開關(guān),僅有一個輸入通道打開.

圖6 游標效應(yīng)及時分復(fù)用技術(shù)的實現(xiàn)架構(gòu)[58]Fig.6.Implementation architecture of AWG-based FBGI based on vernier effect and time-division multiplexing technology[58].

考慮AWG 信道的中心波長位置,則M個輸入和N個輸出的不同組合可以表示為M×N矩陣Ppos,Ppos中的元素表示不同輸入/輸出信道組合的峰值波長.每一行代表同一輸入波導(dǎo)輸入時,不同輸出波導(dǎo)的峰值波長;每一列代表不同輸入波導(dǎo)輸入時,同一輸出波導(dǎo)的峰值波長,矩陣元素是從給定輸入到給定輸出的響應(yīng)的峰值波長.

使用不同數(shù)量的輸入通道數(shù)M和輸出通道數(shù)N(即M≠N),且輸入信道間隔與輸出信道間隔不等(Δλi=Δλo),使得不同輸入輸出組合的所有峰值波長都不同.如果能分別讀出所有這些矩陣元素,就能得到更多的光譜信息.輸入波導(dǎo)在空間上均勻分布,且輸入自由光譜區(qū)(free spectral range,FSR)與輸出FSR 相同,即M×Δλi=N×Δλo.

在常規(guī)的單輸入AWG 波長探測中,通常只能從AWG 相鄰的兩輸出通道中采集兩個光功率信號,從而得出一個可測量的峰值波長信號.利用光開關(guān)產(chǎn)生的時分復(fù)用技術(shù)以及不同輸入/輸出信道間隔產(chǎn)生的游標效應(yīng),將能夠收集到更密集的光譜信息,對于任意波長的FBG 反射光,可以從N個光電探測器中提取M×N信號.當FBG 反射光處于邊緣波長時,依然可以得到高質(zhì)量的解調(diào)函數(shù)值,實現(xiàn)其高波長分辨率解調(diào).因為在光譜的每個部分都有多個通道處于活動狀態(tài),校準數(shù)據(jù)的波長位置是通過對系統(tǒng)的全面表征獲得的.圖7 表示在AWG 通道1 輸入的情況下,并不能得到有效的波長解調(diào)信息,但當在AWG 通道4 輸入的情況下,可以實現(xiàn)FBG 波長信號的精確解調(diào)[53].

圖7 基于游標效應(yīng)及時分復(fù)用技術(shù)的高精度波長解調(diào)實現(xiàn)方法[53]Fig.7.Realization of high-precision wavelength interrogation based on vernier effect and time-division multiplexing technology[53].

第3 種方法[31,59]是通過在輸入波導(dǎo)插入1×2 MMI 耦合器(見圖8(a))并將其輸出(圖8(b)中的α和β)連接到AWG 的星形耦合器,實現(xiàn)修改輸入波導(dǎo)目的,使得每個探測器的光譜響應(yīng)中增加第2 個峰值,峰值的位置可以由波導(dǎo)α和β之間的距離控制.在該設(shè)計中,這個距離對應(yīng)于光譜響應(yīng)的 2.5×Δfch,因此至少在兩個探測器上可以讀出任意波長.

圖8 修改輸入波導(dǎo)后的FBG 波長解調(diào)系統(tǒng) (a)基于AWG的解調(diào)儀原理圖;(b) AWG 輸入的設(shè)計[31]Fig.8.FBG wavelength interrogation system with modified input waveguide:(a) Schematic of the AWG-based interrogator;(b) design of AWG inputs[31].

圖9(a)所示為輸入經(jīng)修改后,AWG 4-8 通道的輸出譜[31].每個輸出在通帶中有兩個峰值(α,β),它們之間的間隔 Δλα,β由圖8 中輸入α和β之間的距離決定,在所設(shè)計的器件中,Δλα,β=2.5Δλch.該方案對AWG 模擬中心波長λ0進行了校正,使其與被測通帶的位置相匹配.

圖9 AWG 傳輸譜(僅顯示4—8 通道)(a)模擬波長響應(yīng);(b)測量響應(yīng)[31]Fig.9.Modified AWG passbands,where only channels 4–8 are shown:(a) Simulated wavelength response;(b) measured wavelength response[31].

圖9 中不同通道用不同顏色顯示,實線和虛線分別代表α和β峰值,a為模擬波長響應(yīng),b為測量響應(yīng).該方案使得至少有兩個探測器在任何波長都有明顯的測量信號.因此,在保持器件面積小的同時,提高了測量分辨率.該方案證明了在10 nm 工作范圍內(nèi)測量的分辨率為0.32 pm,相對分辨率高達0.003%,是光子集成解調(diào)儀迄今為止最佳分辨率.

通過以上3 種方法可改善基于AWG 的FBG波長解調(diào)儀中存在的波長分辨率與動態(tài)范圍相互制約的問題,使解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)性能實現(xiàn)優(yōu)化.

4.2 解調(diào)精度

解調(diào)精度是檢驗基于AWG 的FBG 解調(diào)儀解調(diào)性能的重要指標之一.現(xiàn)有研究通過對解調(diào)系統(tǒng)中不同器件的改進提出了多種提高解調(diào)精度的方法,第1 種方法通過使用刻在光纖相同位置的兩個反射峰值波長有微小差異的FBG 來替代原先的一個FBG,與具有相同頻譜帶寬和AWG 信道數(shù)量的單個FBG 系統(tǒng)相比,可以有效降低誤差[60],提高靈敏度[61].第2 種方法通過使用溫度調(diào)諧對AWG進行波長掃描[62],以生成一個帶有校準數(shù)據(jù)的查找表,在波長域內(nèi)預(yù)先模擬傳感器響應(yīng),可以顯著提高系統(tǒng)線性度,實驗表明,測量誤差的絕對值分別從120 με或15 ℃降低到4.8 με或0.6 ℃[63].第3 種方法是通過替換AWG 解調(diào)儀中的其他器件提高解調(diào)精度,例如利用閉環(huán)壓電馬達控制沿著AWG 輸入耦合器的光束位置,由于光束位置和AWG 信道的傳輸波長之間的存在固定關(guān)系,可以實現(xiàn)對FBG 波長的精確解調(diào)[64].或者利用半導(dǎo)體環(huán)形激光器耦合的AWG 模塊對FBG 應(yīng)變傳感器進行解調(diào),由于半導(dǎo)體環(huán)形激光器的高信噪比和穩(wěn)定輸出的特性,當FBG 在高頻下受到動態(tài)微應(yīng)變時,具有良好的響應(yīng)[65].

此外,使用信道間隔更密集的AWG 可以提高解調(diào)系統(tǒng)的線性度,在AWG 的設(shè)計中可以通過適當選擇最小陣列波導(dǎo)長度獲得窄帶譜響應(yīng)AWG[66].

典型的基于AWG 光子集成技術(shù)的波長解調(diào)儀解調(diào)性能對比如表3 所列.

表3 基于AWG 光子集成技術(shù)的波長解調(diào)儀指標對比Table 3.Performance comparisons of FBGIs based on AWG-PIC technology with different substrates.

5 典型應(yīng)用

5.1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

2004 年,加拿大國家研究理事會Xiao 等[43,45]提出通過熱調(diào)諧AWG 對FBG 波長進行解調(diào),2005 年研發(fā)出可應(yīng)用于航空航天結(jié)構(gòu)和土木工程的健康監(jiān)測以及環(huán)境監(jiān)測的FBG 解調(diào)儀[44,46],該解調(diào)儀使用AWG 作為解復(fù)用器可同時解調(diào)多個FBG,AWG 尺寸為35 mm×55 mm,探測器陣列芯片尺寸為35 mm×10 mm,具有質(zhì)量輕和體積小的優(yōu)勢,分辨率優(yōu)于1 pm,相當于為溫度和應(yīng)變監(jiān)測分別提供0.1 ℃和1 με的系統(tǒng)分辨率.2012 年,該團隊[67]研發(fā)了用于飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的小型化FBG 解調(diào)儀,用于FBG 傳感解調(diào)的AWG 芯片如圖10 所示,其所提出的基于可編程邏輯控制器的雙功能解調(diào)單元可同時用于運行載荷監(jiān)測和沖擊損傷檢測.2012 年,華南師范大學(xué)Su 和Huang[68]為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測,在其2007 年的解調(diào)系統(tǒng)上進行改良,提出了一種基于AWG 的雙通道準分布式FBG 解調(diào)儀,該系統(tǒng)不受光源功率波動、光源光譜不均勻以及微彎曲引起的FBG衰減的影響[69].

圖10 用于FBG 傳感解調(diào)的AWG 芯片[67]Fig.10.An illustration of the AWG chip used for FBG sensor interrogation[67].

5.2 電壓和電流監(jiān)控

2004 年,英國格拉斯哥大學(xué)Niewczas 等[70]對基于AWG 的FBG 解調(diào)系統(tǒng)進行了性能分析,該系統(tǒng)使用16 通道、100 GHz 的AWG,使得分辨率在1.2 pm 以下.2007 年,該團隊[71,72]首次提出利用AWG 解調(diào)儀對混合光纖電壓和電流傳感器(見圖11)進行解調(diào),實驗表明,該系統(tǒng)能夠測量電壓和電流波形的可變頻率,適用于飛機電氣系統(tǒng)中的電壓和電流監(jiān)控,還可用于電壓和電流諧波分析以及電能質(zhì)量測量.

圖11 (a)混合電壓傳感器;(b)采用電壓傳感器和電流互感器的電流傳感器;(c)磁致伸縮電流傳感器[72]Fig.11.(a) Hybrid voltage sensor;(b) current sensor employing a voltage sensor and a current transformer;(c) magnetostrictive current sensor[72].

5.3 磁共振成像監(jiān)測

2021 年,波蘭華沙理工大學(xué)Ka?mierczak 等提出了一種基于PIC 的FBG 解調(diào)儀,專用于在磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)掃描下監(jiān)測患者基本生命體征,該系統(tǒng)核心器件為36 通道的AWG[33,34].MRI 監(jiān)測系統(tǒng)如圖12 所示,解調(diào)儀具有足夠的時間分辨率跟蹤呼吸速度并精確區(qū)分各個呼吸,適用于各個場景,如重癥監(jiān)護室、療養(yǎng)院或私人住宅等的睡眠質(zhì)量檢測,防止睡眠呼吸暫停事件,但心率監(jiān)測功能暫未實現(xiàn),需要在目前基礎(chǔ)上增加采樣率和升級檢測算法.

圖12 MRI 監(jiān)測系統(tǒng)[34]Fig.12.MRI monitoring system[34].

5.4 其他應(yīng)用

AWG 被廣泛應(yīng)用于對FBG 應(yīng)變和溫度傳感的解調(diào).2006 年,英國赫里奧特-瓦特大學(xué)的Fender等[73]描述了AWG 在動態(tài)應(yīng)變測量光纖光柵解調(diào)中的應(yīng)用,并將這一技術(shù)推廣到測量多芯光纖中兩個FBG 對之間的動態(tài)微應(yīng)變,光纖曲率分辨率為0.05m–1.2013 年,該團隊[74]又設(shè)計了用于動態(tài)應(yīng)變測量的解調(diào)系統(tǒng),其分辨率為1.4μm.2021 年,意大利那不勒斯費德里科二世大學(xué)的Marrazzo等[75]提出了一種可進行高頻測量的無源FBG 解調(diào)系統(tǒng),采用高頻應(yīng)變應(yīng)力和粘貼在鋁板上的FBG對系統(tǒng)進行了測試,驗證了系統(tǒng)的可行性,成功檢測到100Hz 和兆赫茲范圍內(nèi)的FBG 振動.

2008 年,華南師范大學(xué)Huang 等[76]提出了一種低成本、高分辨率的波長檢測器,其利用非對稱AWG 和一維位置敏感探測器(positionsensitive detector,PSD)相結(jié)合,該裝置可應(yīng)用于對溫度分辨率為0.3℃的FBG 溫度傳感器的解調(diào).2019 年,韓國川南國立大學(xué)Moon 等[77]為溫度測量開發(fā)了一種基于AWG 的FBG 解調(diào)系統(tǒng),圖13 為其實驗裝置示意圖,該系統(tǒng)配備了50kHz,96 通道的AWG,并使用環(huán)氧樹脂對0.3nm 帶寬的FBG 傳感器進行了封裝,動態(tài)范圍為25—85℃,分辨率為0.2℃.

圖13 實驗裝置示意圖[77]Fig.13.A schematic diagram for experimental set-up[77].

此外,AWG 還可用于對FBG 麥克風(fēng)陣列解調(diào).2007 年,日本東京工業(yè)大學(xué)Nakamura 等[78]利用AWG 解調(diào)儀對FBG 麥克風(fēng)陣列進行了解調(diào),利用32 通道100GHz 的AWG 研究了聲音信號的解調(diào)特性,實驗裝置如圖14 所示,但為了實際應(yīng)用,還需提高單元麥克風(fēng)的性能.

圖14 用于評估FBG 麥克風(fēng)的實驗裝置[78]Fig.14.Experimental setup for evaluating theFBG microphone[78].

綜上所述,國內(nèi)外對基于AWG 的FBG 解調(diào)技術(shù)的研究做出了一定的成果,研制出一系列的小型FBG 解調(diào)儀,并成功將其應(yīng)用到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、電壓和電流監(jiān)控、磁共振成像監(jiān)測等領(lǐng)域.利用AWG 進行解調(diào)具有小型化、高精度、高速率等優(yōu)勢,在后續(xù)研究中可繼續(xù)對實現(xiàn)其體積更小,精度更高等要求進行研究,以將該技術(shù)推廣至更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域.

6 未來發(fā)展

6.1 新材料

硅材料[79]是一種良好的光學(xué)材料,被廣泛應(yīng)用于AWG 解調(diào)芯片的制備中,但由于硅材料屬于間接帶隙半導(dǎo)體材料,因此發(fā)光效率低,需要借助混合集成技術(shù)解決片上光源和光放大等難題.目前,通過倒焊芯片和晶圓鍵合技術(shù)可以實現(xiàn)混合集成,而且技術(shù)比較成熟,但相比單片解決方案而言,混合集成技術(shù)在將來的大規(guī)模生產(chǎn)需求中則顯得不占優(yōu)勢,因此,單片集成技術(shù)也是未來的重點研究內(nèi)容.事實上,金屬有機化合物化學(xué)氣相沉積(metal-organic chemical vapor deposition,MO CVA)異質(zhì)外延技術(shù)和分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE)技術(shù)可以在硅基上實現(xiàn)材料的直接生長,硅基與鍺材料的結(jié)合已有進展[80].理論上可以利用異質(zhì)外延技術(shù)研究并生產(chǎn)一種新的材料體系[81,82],即硅基與Ⅲ-Ⅴ族(InP 和GaAs)相結(jié)合的材料體系,但由于InP,GaAs 和Si 之間存在巨大的晶格失配,InP,GaAs 材料在硅基上直接異質(zhì)外延還需要進行深入的實驗研究.如果能夠突破這一難題,未來有望制造出單片集成的全光芯片.

6.2 系統(tǒng)集成

基于AWG 的FBG 解調(diào)系統(tǒng)正在往小型化、低能耗、高精度、高速率等方面進行探索研究,其主要由光學(xué)模塊和電學(xué)模塊兩部分組成,目前所研發(fā)出的較小型解調(diào)儀是將光芯片與電路相連組成系統(tǒng),但是儀器尺寸無法達到理想水平,因此,在保證解調(diào)系統(tǒng)整體性能不變的前提下來替換或刪減元器件以減小儀器尺寸(系統(tǒng)最大集成化)是當前AWG 解調(diào)系統(tǒng)急需解決的問題.

提高解調(diào)系統(tǒng)集成度的重點在增強光電子融合芯片的架構(gòu)設(shè)計能力,加強光電子融合芯片的工藝能力和基礎(chǔ)積累,建立適合大規(guī)模光電集成芯片的組件庫,提高光電子融合芯片的封裝和調(diào)控技術(shù).在可預(yù)見的未來,不僅能將各類光器件集成到同一光芯片上,還可以考慮將整個解調(diào)系統(tǒng)所需電子元件甚至微電子集成電路在同一芯片上實現(xiàn)高度集成,真正實現(xiàn)解調(diào)儀的小型化,以適應(yīng)更高水平的應(yīng)用需求.

6.3 規(guī)?；?/h3>

實現(xiàn)基于AWG 的FBG 解調(diào)儀的商用化,關(guān)鍵在于需要擁有超大規(guī)模的制造能力,但目前存在的主要問題有兩點:第一,該項技術(shù)的性價比不明顯,因此大規(guī)模商用存在阻礙;第二,用于微電子CMOS 工藝雖然很成熟,但如果要將CMOS 工藝復(fù)用到AWG 光芯片的加工上,則需要重新調(diào)整參數(shù),定制工藝流程,存在難以復(fù)用的問題.生產(chǎn)成本和制作工藝問題的解決,將有利于促進基于AWG 的FBG 解調(diào)儀的大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn),從而實現(xiàn)諸如導(dǎo)彈、衛(wèi)星等更多的領(lǐng)域的應(yīng)用.

7 總結(jié)

基于AWG 的FBG 波長解調(diào)技術(shù)以其獨特優(yōu)勢特別適用于對應(yīng)變、溫度有很高要求的解調(diào)場合,同時也具備極限環(huán)境下的對監(jiān)測信號實時解調(diào)的潛力.近20 年來,國內(nèi)外研究人員從解調(diào)方法、材料體系、解調(diào)性能和應(yīng)用等方面開展了AWG 解調(diào)的研究工作,取得了一定的進展.本文梳理了基于AWG 的FBG 波長解調(diào)技術(shù)的發(fā)展歷程,分析了AWG 解調(diào)儀的材料體系及工藝、系統(tǒng)性能和典型應(yīng)用,指出了當前存在的關(guān)鍵問題即解調(diào)系統(tǒng)動態(tài)范圍及波長分辨率兩性能參數(shù)相互制約,并結(jié)合新材料、集成度、規(guī)?；接懥宋磥戆l(fā)展方向.本文可為AWG 光子集成解調(diào)技術(shù)的研究發(fā)展提供參考.