基于光子集成芯片的可穿戴光纖光柵解調(diào)研究

李鴻強，毛泉樺，安芷萱，林志琳，王英杰，孟文濤，朱智越，張 振，Juan Daniel Prades Garcia

（1. 天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院 天津市光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)重點實驗室，天津 300387；2. 天津工業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300387；3. 巴塞羅那大學(xué) 電子與生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，西班牙 E-08028）

引言

可穿戴智能傳感器既能夠檢測和人體生理數(shù)據(jù)相關(guān)的物理化學(xué)參數(shù)，如體溫[1]、肌電[2]、心率[3]和血糖[4-5]等，也能夠檢測身體的各類運動狀況，如加速度[6]、肌肉拉伸度[7-8]和足部壓力[9]等。具有以上功能的可穿戴傳感器被用于醫(yī)療、健康、運動、工業(yè)和軍事等多個領(lǐng)域[10-12]。相較于傳統(tǒng)的電學(xué)傳感器而言，光纖傳感器有其無法比擬的優(yōu)勢所在，具體體現(xiàn)在靈敏度很高、質(zhì)量較輕、體積較小等一系列方面中。光纖與織物纖維能夠?qū)饫w傳感器進行封存，封存于織物內(nèi)部，這樣可以極大可能地提高佩戴的舒適程度，主要得益于其自身所具備的兼容性。因此，在可穿戴技術(shù)中，可以廣泛運用光纖傳感器這一種理想元件[13-15]。

硅基光子學(xué)的發(fā)展為光學(xué)系統(tǒng)的小型化提供了可行性。光譜儀和光纖光柵解調(diào)儀被廣泛地應(yīng)用于光纖光柵傳感測量中，為了實現(xiàn)它們最大程度的集成化和微型化，國內(nèi)外提出了基于SOI 技術(shù)的微型光譜儀[16-17]和硅基光子集成芯片上的光纖布拉格光柵（Fiber Bragg grating，F(xiàn)BG）傳感器解調(diào)儀[18-20]。這種技術(shù)仍不適用于可穿戴光子傳感解調(diào)領(lǐng)域，為了實現(xiàn)連續(xù)、動態(tài)、長期監(jiān)測人體生理信號，本文提出了一種基于光子集成芯片的可穿戴光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)（wearable flexible integrated optical interrogator，WFIOI）。

1 可穿戴解調(diào)系統(tǒng)組成

WFIOI 主要由手環(huán)結(jié)構(gòu)的柔性光電路和植入緊身衣服的FBG 構(gòu)成。3 個FBG 傳感器分布在人體左腋窩（FBG1，中心波長為1 545.37 nm）、胸口（FBG3，中心波長為1 551.72 nm）和右腋窩（FBG2，中心波長為1 548.58 nm），左右腋窩處傳感器測量人體體溫，胸口處傳感器測量人體心音。

手環(huán)結(jié)構(gòu)的柔性光電路主要由陣列波導(dǎo)光柵（arrayed waveguide grating，AWG）解調(diào)光子集成芯片和外圍電路構(gòu)成。圖1(a)是整個柔性光電路的原理圖，虛線框內(nèi)是解調(diào)系統(tǒng)的光路，光子集成芯片如圖1(b)所示，芯片尺寸約為2.5 mm×1.35 mm，它由1×8 AWG、2×2 MMI 耦合器、4×1 光纖光柵耦合器陣列、Ge-on-Si 波導(dǎo)光電探測器（photodetector，PD）、直波導(dǎo)和彎曲波導(dǎo)等組成。光源陣列由4 個VCSEL 組成，中心波長分別為1 545.34 nm、1 548.53 nm、1 551.33 nm 和1 553.15 nm。光子集成芯片外接的3 個FBG 負責(zé)測量人體溫度和心音。

圖1 解調(diào)系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of demodulation system

光子集成芯片上的鍺波導(dǎo)光電探測器通過外接I-V 轉(zhuǎn)換電路（AD825，Analog Devices）和放大電路（LF353, Texas Instruments）將探測到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，輸入到帶有AD 轉(zhuǎn)換功能的微控制器（ADuCM361，Analog Devices）中。微控制器負責(zé)將采集的信號AD 轉(zhuǎn)換后，通過UART 接口與BLE 4.0 藍牙模塊（CC2541，Texas Instruments）通訊，將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給移動終端。手環(huán)式柔性電路結(jié)構(gòu)和實際佩戴效果如圖2 所示，整個柔性光電路長為130 mm，寬為35 mm，重量僅為10 g。在深度睡眠狀態(tài)下MCU 的功耗為4 μA，前端的功耗僅為7 μA，驅(qū)動藍牙模塊需要43 mA，在使用容量為1000 mAh 的3.7V 鋰電池為可穿戴設(shè)備供電的情況下，整個解調(diào)系統(tǒng)連續(xù)工作時間可長達24 h。

圖2 柔性電路實物圖Fig. 2 Physical picture of flexible circuit

由于需要將光子集成芯片上的端面耦合器外接光纖陣列（fiber array，F(xiàn)A），我們進行了光子集成芯片的光纖耦合封裝，選擇的FA 尺寸為7.5 mm×2.5 mm×2.5 mm。通過外部夾具夾持FA，F(xiàn)A 上V 型槽放置的單模光纖作為光輸入，光子集成芯片上的匯聚型光柵通過外部垂直錐形光纖作為光輸出，調(diào)節(jié)FA 位置以便找到耦合效率最高的對準(zhǔn)位置。封裝中輸入光源設(shè)定為1 mW，輸出最大時為20 nW，所以經(jīng)過光纖耦合封裝后光路額外引入的損耗為-46.98 dB，最后通過點膠和UV 固化實現(xiàn)光子集成芯片的光纖耦合封裝。

2 解調(diào)原理

VCSEL 垂直腔面發(fā)射激光器作為輸入光源，其為單縱窄帶光源，3 dB 帶寬僅有20 pm，而輸入寬帶光源時布拉格光柵反射譜帶寬為180 pm，VCSEL帶寬遠小于布拉格光柵的反射譜帶寬，使用VCSEL窄帶光源時無法得到完整的布拉格光柵反射譜，所以我們擬采用邊緣濾波法與陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)法相結(jié)合的方法，實現(xiàn)布拉格光柵的解調(diào)。

2.1 溫度解調(diào)原理

溫度解調(diào)的基本原理是根據(jù)布拉格光柵的波長選擇性來實現(xiàn)的，它的頻率光譜反射效率有著很大的改變，在一定的波段內(nèi)，它的反射效率會發(fā)生強烈的變化。如果VCSEL 的波長與此區(qū)域相一致，則其反射譜的狀況見圖3(a)，其中藍色實線部分所代表的是VCSEL 光譜，而黃色實線部分則代表的是FBG 的反射譜。隨著布拉格光柵外部溫度的增加，其反射光譜向右側(cè)產(chǎn)生移動，但是VCSEL的中心波長位置并沒有產(chǎn)生改變。在圖3(b)中展現(xiàn)出了布拉格光柵反射光譜能量的改變，在該改變中，藍色實線代表了VCSEL 譜，而黃色實線代表了在頻率光譜移動之后的反射光譜。由于布拉格光柵中心波長的變化，導(dǎo)致了VCSEL 中心波長處的高效率折射率下降。根據(jù)反射光譜的能量狀況，可以計算出布拉格光柵中心波長的移動，并由此獲得外部溫度的變化數(shù)據(jù)。在采用VCSEL陣列時，因為VCSEL 的中心波長存在差異，在多個反射譜導(dǎo)入AWG 時，布拉格光柵的反射光譜將從不一致的通道發(fā)射出去。圖3(c)中的紅色虛線部分代表的是AWG 的信道輸出頻譜，而黃色實線部分則代表的FBG 反射頻譜，這樣就完成了VCSEL垂直腔面發(fā)射激光器窄帶光源下人體體溫的解調(diào)測量。

圖3 溫度解調(diào)原理圖Fig. 3 Schematic diagram of temperature demodulation

2.2 心音解調(diào)原理

心音解調(diào)原理是采用2 束窄帶光源，1 559.94 nm、1 560.67 nm 分別是其中心波長。在靜止?fàn)顟B(tài)下，如圖4(a)所示，左邊VCSEL 中心波長與傳感器中心波長重合。將心音傳感器放置人體胸口處時，隨著外部對傳感器施加壓力，如圖4(b)所示，傳感器反射譜向右偏移，左側(cè)反射光不斷下降，右側(cè)逐漸增強。當(dāng)外部壓力減小時，如圖4(c)所示，可以清楚地看到波長發(fā)生了顯著的變化，持續(xù)向左偏移，這樣就可以收獲更強的左側(cè)反射光，與此同時右側(cè)的反射力度減小。由此可以得出結(jié)論：在判斷波長的變化程度時可以將窄帶光源反射光的具體比值作為標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，這樣就可以對人體心音信號進行調(diào)整，確保其處于合理的范圍內(nèi)?？紤]到光反射會存在一定的干擾，需要將其置于經(jīng)過仿真計算后的相鄰2 個AWG 通道中，經(jīng)過測試得到波長值分別為1 558.9 nm 和1 561.7 nm 時效果最好，如圖4(d)所示，這樣就可以實現(xiàn)心音信號的解調(diào)。

圖4 心音解調(diào)原理圖Fig. 4 Schematic diagram of heart sound demodulation

當(dāng)心音傳感器反射的中心波長隨心臟跳動變化時，可以看到通道內(nèi)的光強有顯著的變化，因此通過FBG 反射光譜以及檢測范圍內(nèi)的積分，即可得出陣列波導(dǎo)光柵相鄰兩通道的光強。以相鄰2 個AWG 輸出通道m(xù)和m+1 為例，其輸出光強可分別表示為

式中：Is(λ)為輸入光的發(fā)射譜；Pm為陣列波導(dǎo)光柵相鄰2 個輸出通道中m的輸出光強；Pm+1為通道m(xù)+1 的輸出光強。處于一樣的陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)系統(tǒng)，各通道的衰減因子也是相等的，也就是說：Lm=Lm+1=L。如果光譜密度處于窄帶范圍，那么就會對應(yīng)一個定值，即Is(λ)=Is，則聯(lián)合 (1) 式和 (2) 式后再以e 為對數(shù)可得到：

分析(3)式能夠發(fā)現(xiàn)陣列波導(dǎo)光柵的2 個相鄰?fù)ǖ赖妮敵龉鈴妼?shù)和對應(yīng)的心音傳感器中心波長之間存在直接相關(guān)性。鑒于此，本文對陣列波導(dǎo)光柵相鄰兩通道的輸出光強信號做了全方位的探究，通過2 個光強信號對數(shù)之比，實現(xiàn)對心音信號的檢測。

3 解調(diào)實驗結(jié)果與分析

3.1 溫度解調(diào)實驗結(jié)果與分析

本文將植入服裝后的溫度傳感器置于加熱臺上，封裝好的溫度傳感器如圖5(a) 所示。通過改變加熱臺的溫度來模擬人體體溫，實驗溫度變化范圍為35 ℃～42 ℃，每1 ℃記錄一次。當(dāng)加熱臺溫度變化時，會引起溫度傳感器中心波長發(fā)生偏移，利用光譜分析儀測量傳感器反射譜中心波長，可以得到中心波長隨溫度的變化關(guān)系，如圖5(b)所示。實驗結(jié)果顯示，F(xiàn)BG1 和FBG2 溫度傳感器測量的溫度和中心波長之間明顯相關(guān)。

圖5 傳感器實物圖和實驗結(jié)果Fig. 5 Physical picture of sensor and experimental results

由于溫度傳感器反射譜中心波長的變化會導(dǎo)致AWG 輸出光功率的變化，進而解調(diào)電路獲得的電壓也會隨之發(fā)生變化，因此只需要測量解調(diào)電路Ge 波導(dǎo)探測器輸出的電壓，就可以得到溫度與電壓的對應(yīng)關(guān)系。通過三維探針臺對PIC 上Ge 波導(dǎo)探測器輸出的電壓信號進行采集，得到溫度與電壓的對應(yīng)關(guān)系，如圖6(a)所示。

數(shù)據(jù)擬合可以得到溫度與電壓的四次擬合函數(shù)，其準(zhǔn)確率達到99.96%，由擬合函數(shù)得到的電壓值即可反推測量溫度，對測試溫度與實際溫度進行誤差分析，得到溫度誤差曲線如圖6(b) 所示?？梢钥吹綔y量溫度與實際溫度具有較高的線性度，且測量誤差在±0.1 ℃以內(nèi)，滿足人體體溫測量精度要求。

圖6 溫度解調(diào)實驗結(jié)果Fig. 6 Experimental results of temperature demodulation

WFIOI 上采用的AD 為24 位，參考電壓為5 V時，其最小電壓分辨率為0.298 μV。增敏封裝后的FBG1 與FBG2 的溫度靈敏度系數(shù)分別為S1=49 pm/℃和S2=51 pm/℃，由35 ℃～42 ℃時電壓隨溫度的變化曲線（圖6(a)）可知，溫度每變化1 ℃，輸出電壓分別變化ΔV1=3.326 μV 和ΔV2=3.548 μV，則可由(4)式得到輸出電壓與2 個溫度傳感器反射中心波長的變化率：

經(jīng) 計 算 得ζ1=14.732 pm/μV，ζ2=14.374 pm/μV，以最小電壓分辨率0.298 μV 計算，F(xiàn)BG1 與FBG2的波長解調(diào)精度分別為ζ1×0.298 μV =4.39 pm 和ζ2×0.298 μV =4.28 pm，因此WFIOI 的解調(diào)精度約為5 pm。由溫度測量的誤差曲線（圖6(b)）可以得出FBG1 與FBG2 測量溫度與實際溫度的最大誤差分別為0.007 2 ℃和0.004 1 ℃，分別對應(yīng)0.08 pm和0.05 pm，因此WFIOI 的解調(diào)分辨率為±0.08 pm。

3.2 心音解調(diào)實驗結(jié)果與分析

本文把心音傳感器放在了人體胸口區(qū)域，進行了封裝處理的心音傳感器如圖7(a)所示。檢測人體心音信號，借助于解調(diào)電路就可以采集到相鄰?fù)ǖ郎系碾妷簲?shù)值，然后將這一電壓值傳輸?shù)缴衔粰C，就可以直接進行數(shù)據(jù)分析。由于心音信號不會間斷，因此，不需要分析特定的FBG3 中心波長，僅需要分析用于心音傳感的相鄰2 個AWG 通道的輸出光功率之比。光功率又可以被光電探測器轉(zhuǎn)換成電壓信號，因此光電探測器輸出電壓之比為心音傳感器測得的心音信號。

圖7 傳感器實物圖和信號處理Fig. 7 Physical picture of sensor and signal processing

對于采集到的心音信號進行信號處理和提取特征值，處理后的信號如圖7(b) 所示。心音信號可以通過小波去噪算法、歸一化處理、絕對值和包絡(luò)提取來提取。心音信號的采樣頻率為500 Hz，借助4 層小波分解處理采集心音信號，每層的頻率范圍為：d1：250 Hz～500 Hz、d2：125 Hz～250 Hz、d3：62.5 Hz～125 Hz、d4：31.25 Hz～62.5 Hz、a4：0～31.25 Hz。第一和第二心音主要出現(xiàn)在50 Hz～100 Hz 范圍內(nèi)，對應(yīng)的d3 和d4 層是第一和第二心音的主要集中區(qū)域。對于分解后的小波系數(shù)來說，我們需要保留2 層，分別是d4、d3 層，使用重建信號作為提取的心音信號，將其他閾值調(diào)整為零。對保留的信號進行歸一化處理，再對歸一化后的信號取絕對值，進而可以看出提取的d4、d3 層信號，它們的主要特征是，具有顯著的第一和第二心音分量。

利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)對取絕對值后的信號進行包絡(luò)提取，結(jié)構(gòu)元素選取直線形。將包絡(luò)提取后的數(shù)據(jù)進行分段，使每一段數(shù)據(jù)中盡可能只包含1 個第一心音和第二心音，再分別對每段數(shù)據(jù)進行閾值處理，從而避免對第一心音或第二心音的誤檢。閾值處理后的心音信號中包含許多孤立峰，其中有的是心音成分，有的是干擾峰。在醫(yī)學(xué)上，寬度小于30 ms～40 ms 的孤立峰被認定為是干擾峰。本文將寬度小于35 ms 的孤立峰認為是干擾峰，將其幅度置為零，從而達到去除干擾峰的目的。此時，心音信號中理論上只剩余各心動周期的第一心音或第二心音，借助于以上對心音信號的處理，我們能夠確定第一、第二心音的兩類位置：第一個是起止點，第二個是峰值。由于第一心音代表心臟的收縮，第二心音代表心臟的舒張，所以第一心音與第二心音的間隔時間要小于第二心音與第一心音的間隔時間。根據(jù)該原則，通過計算各峰值點橫坐標(biāo)差值判斷出屬于第一心音和第二心音的心音成分。信號處理和特征提取流程圖如圖8 所示。

圖8 心音信號處理和特征提取流程圖Fig. 8 Flow chart of heart sound signal processing and feature extraction

根據(jù)提取的第一和第二心音的起止點和峰值點，可以計算出心音信號的特征參數(shù)，包括心動周期、心率、心力、第一心音時限和第二心音時限，并根據(jù)這些特征參數(shù)的范圍判斷所測心音信號是否正常。

對采集到的心音信號進行處理，再經(jīng)過相關(guān)的計算后可以得到心音信號的特征參數(shù)，如表1 所示。根據(jù)測試結(jié)果可知，每個參數(shù)都保持在正常水平，因此待測試的心音信號正常。

表1 實測心音信號特征參數(shù)Table 1 Measured characteristic parameters of heart sound signal

佩戴WFIOI 開展解調(diào)實驗時，心音信號會被調(diào)解電路所收集，然后借助于藍牙模塊，將其輸送到移動端。移動端將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至云服務(wù)器端。本文設(shè)計了一個Python 程序在云服務(wù)器上運行，并在程序中調(diào)用由MATLAB 編譯的心音信號處理算法，利用MATLAB 程序?qū)π囊粜盘栠M行預(yù)處理，提取其時域和頻域特征，接下來，云服務(wù)器會將各類數(shù)據(jù)和參數(shù)傳遞到移動端，主要包括處理后的心音波形數(shù)據(jù)以及其特征參數(shù)。

4 結(jié)論

本文提出的基于硅基光子集成芯片的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，采用了邊緣濾波法與陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)法相結(jié)合的解調(diào)方案。在解調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)波長檢測范圍內(nèi)，波長分辨率為0.08 pm，解調(diào)精度達到5 pm，誤差僅為±0.1 ℃，可以對人體的溫度和心音信號進行實時地精確測量，相較于傳統(tǒng)的電學(xué)傳感器，具有抗電磁干擾和靈敏度高等優(yōu)勢。將光子集成芯片和解調(diào)電路相結(jié)合，實現(xiàn)了光纖光柵傳感器在可穿戴領(lǐng)域的應(yīng)用和光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的微型化，推動了硅基光子集成技術(shù)的應(yīng)用。