智能穿戴光纤与光子集成

第1章 绪论
　　1.1 引言
　　光纤光栅是一种光无源器件，有两个能够直接传感并测量的基本物理量[1]，分别是应变和温度，它们是其他各个物理量传感必不可少的基础。光纤光栅传感器较其他原理的传感器具有很多不可替代的突出特点，所以它现在有着很广的应用前景。
　　光纤光栅传感具有如下特点[2]：
　　（1）抗干扰能力强；
　　（2）适于多种应用场合，尤其是智能结构和智能材料；
　　（3）高灵敏度、高分辨率，测量结果具有良好的线性和重复性；
　　（4）一根光纤中可写入多个光栅，构成传感阵列，复用能力很强，便于构成各种形式的光纤传感网络系统，可进行大面积的多点测量；
　　（5）在对光纤光栅参数进行标定后，可用于对外界参量的绝对测量；
　　（6）可同时测量多个参数；
　　（7）耐温性好，工作温度上限可达600℃；
　　（8）传输耗损小，能远距离传输波长编码，传感器到解调端可达几公里。
　　光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG） 传感器由于其广阔的应用前景而备受瞩目。为了实现FBG传感器在传感领域的进一步应用，必须在保证其稳定性、测量精度、能够进行静态监测和实时动态监测的同时，研究多点多通道同时高速监测。
　　1.2 光纤光栅发展概况
　　光纤光栅传感器是一种通过在光纤上刻蚀光栅来制作的光学传感元件，随着光纤光栅解调技术的发展，光纤光栅传感器得到了广泛的应用。国外对光纤光栅传感技术的研究较早，1966年，美籍华人高琨博士及其课题组内学者提出了使用光纤来传输光信号的想法，这一想法为光纤技术用于光学传感和光学通信带来了曙光。1978年，加拿大学者Hill等*先发现使用特定波段的光照射光纤可以永久性改变光纤内某一部分的折射率，他们意识到这一发现可以用来制作出光纤光栅，这成为光纤光栅研究的一个起点[3]。1989年，加拿大学者Meltz等*先采用全息干涉法生产制造出世界上首根反射波长位于通信波段的光纤光栅，极大地推动了光纤光栅技术的发展[4]。自第一个光纤光栅传感器发明至今，光纤光栅传感技术在很多领域如桥梁、建筑、医学等获得了成功应用，成为传感领域发展*快的技术之一。
　　近几十年来国内在光纤光栅解调技术上也做了大量的研究，迄今有很多科研院所以及高校开展了相关方面的研究工作。2000年，南开大学的刘云启等使用有机聚合物将光纤光栅进行了封装，使用这种新型光纤对压力和温度进行测量发现其比普通光纤拥有更高的灵敏度。2004年，武汉理工大学的姜德生等将多模光纤进行了氢敏化处理，制作的多模光纤光栅可以反射光信号数量多达三个。2007年天津大学的刘铁根等提出了一种便携式光纤光栅波长解调仪，简化了解调系统结构，将仪器的实用化上升了一定的高度[5]。2009年，西安石油大学的乔学光等利用边缘滤波解调法，将光纤光栅应变传感器的测量范围提升至2500με[6]。2013年，华北电力大学的刘玮设计了一种基于法布里-珀罗（Fabry-Perot，F-P）滤波器法的传感解调方法，具有较高的解调速度与精度[7]。2016年，刘鹏飞等设计了一种以可调谐滤波器实现波长扫描，同时以标准具实现波长标定的波长解调方法，由于标准具的引入，提高了解调精度和稳定性[8]。2018年，刘睿等以两个F-P滤波器作为双边缘滤波器实现被测光的波长解调[9]。
　　到目前为止，限制光纤光栅传感器进一步广泛应用的主要问题是传感信号的解调方法。常见的光纤光栅解调方法有匹配FBG可调滤波解调法[10， 11]、可调谐光纤F-P滤波器解调法[12]、非平衡马赫-曾德尔（Mach-Zehnder，M-Z）干涉仪解调法、可调谐窄带光源解调法[14]和阵列波导光栅解调法[15]等。作为光纤光栅解调方法的一种，阵列波导光栅解调法具有高精度和快速解调能力，这对于科研人员来说是一种极具吸引力的研究。但传统阵列波导光栅解调系统具有体积较大、价格较昂贵等问题，限制了其广泛应用。
　　随着光纤光栅应用范围的日益扩大，光纤光栅的种类也日趋增多[16]。根据折射率沿光栅轴向分布的形式，可将紫外写入的光纤光栅分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅。其中，均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度和折射率变化的周期（也称光纤光栅的周期）均沿光纤轴向保持不变的光纤光栅，如均匀光纤Bragg光栅（折射率变化的周期一般为0.1μm量级）和均匀长周期光纤光栅（折射率变化的周期一般为100μm量级）；非均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向变化的光纤光栅，如啁啾光纤光栅（其周期一般与均匀光纤Bragg光栅周期处同一量级）、切趾光纤光栅、相移光纤光栅和取样光纤光栅等。
　　1. 均匀光纤Bragg光栅
　　均匀光纤Bragg光栅折射率变化的周期一般为0.1μm量级。它可将入射光中某一确定波长的光反射，反射带宽窄。在传感器领域，均匀光纤Bragg光栅可用于制作温度传感器、应变传感器等传感器；在光通信领域，均匀光纤Bragg光栅可用于制作带通滤波器、分插复用器和波分复用器的解复用器等器件。
　　2. 均匀长周期光纤光栅
　　均匀长周期光纤光栅折射率变化的周期一般为100μm量级，它能将一定波长范围内入射光前向传播芯内导模耦合到包层模并损耗掉。在传感器领域，均匀长周期光纤光栅可用于制作微弯传感器、折射率传感器等传感器；在光通信领域，均匀长周期光纤光栅可用于制作掺饵光纤放大器、增益平坦器、模式转换器、带阻滤波器等器件。
　　3. 切趾光纤光栅
　　对于一定长度的均匀光纤Bragg光栅，其反射谱中主峰的两侧伴随有一系列的侧峰，一般称这些侧峰为光栅的边模。如将光栅应用于一些对边模的抑制比要求较高的器件如密集波分复用器，这些侧峰的存在是一种不良的因素，它严重影响器件的信道隔离度。为减小光栅边模，人们提出了一种行之有效的办法—切趾。所谓切趾，就是用一些特定的函数对光纤光栅的折射率调制幅度进行调制。经切趾后的光纤光栅称为切趾光纤光栅，它反射谱中的边模明显降低。
　　4. 相移光纤光栅
　　相移光纤光栅是由M（M＞2）段具有不同长度的均匀光纤Bragg光栅以及连接这些光栅的M-1个连接区域组成的。相移光纤光栅在其反射谱中存在透射窗口，可直接用作带通滤波器。
　　5. 取样光纤光栅
　　取样光纤光栅也称超结构光纤光栅，它是由多段具有相同参数的光纤光栅以相同的间距级联而成的。除了用作梳状滤波器之外，取样光纤光栅还可用作波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）系统中的分插复用器件。与其他分插复用器件不同的是，取样光纤光栅构成的分插复用器件可同时分或插多路信道以间隔相同的信号。
　　6. 啁啾光纤光栅
　　所谓啁啾光纤光栅，是指光纤的纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向逐渐变大（小）形成的一种光纤光栅。在啁啾光纤光栅轴向不同位置可反射不同波长的入射光，所以啁啾光纤光栅的特点是反射谱宽，在反射带宽内具有渐变的群时延，群时延曲线的斜率即光纤光栅的色散值。所以，可以利用啁啾光纤光栅作为色散补偿器。
　　1.3 光纤光栅耦合模理论
　　光纤光栅的形成基于光纤光栅的光敏性，不同的曝光条件、不同类型的光纤可产生多种不同折射率分布的光纤光栅[17-19]。光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式耦合。对于整个光纤曝光区域，可以由下列表达式给出折射率分布较为一般的描述：
　　（1.1）
　　式中，a1为光纤纤芯半径；a2为光纤包层半径；n1为纤芯初始折射率；n2为包层折射率；n3为空气折射率；F(r， φ， z)为光致折射率变化函数，在光纤曝光区，其*大值为 ， 为折射率变化*大值。图1.1表示了光纤光栅区域的折射率分布情况，其中Λ为均匀光栅周期。
　　图1.1 光纤光栅区域的折射率分布
　　光纤光栅区域的光场满足模式耦合方程：
　　（1.2）
　　式中，A(z)、B(z)分别为光纤光栅区域中的前向波、后向波；k(z)为耦合系数；q(z)与光栅周期Λ和传播常数β有关。利用此方程和光纤光栅的折射率分布、结构参数及边界条件，并借助于四阶龙格-库塔（Runge-Kutta，R-K）数值算法，可求出光纤光栅的光谱特性。光纤光栅的不同光谱特性呈现出不同的传输或调制特性，因而可构成不同功能的光纤器件[20]。
　　1.4 光纤光栅传感基本原理
　　光纤光栅由一段折射率沿其长度方向周期性变化的光纤构成，是光纤光栅通信系统中一种十分重要的无源光波导器件。当激光通过掺杂光纤时，其折射率会随着光强的空间分布发生相应的变化，变化的大小与光强呈线性关系并永远地保存下来形成了栅区。此栅区其实就是一个窄带滤波器或反射器，利用这一特性，光纤光栅已经在滤波器、激光器、放大器、波分复用器和光纤光栅传感器等新型无源光器件中得到了广泛应用[21]。
　　光纤Bragg光栅的结构如图1.2所示。
　　图1.2 光纤Bragg光栅结构示意图
　　由耦合理论可知，光纤Bragg光栅中心波长可表示为
　　（1.3）
　　式中，Λ代表光纤光栅的周期；neff代表纤芯的有效折射率；neff和Λ随温度改变。
　　已有研究证明，温度和应变产生的效应相互独立。当光纤光栅仅受应变作用，温度保持不变时，由式（1.3）可得轴向应变造成的光栅波长变化为
　　（1.4）
　　设温度变化为ΔT，则由热效应引起的光栅周期变化ΔΛ为
　　（1.5）
　　式中，α为光纤的热膨胀系数，对于掺锗的石英光纤，其值为0.5×10-6/℃。由热光效应引起的有效折射率变化为
　　（1.6）
　　式中， 为光纤材料的热光系数，对于掺锗石英光纤，其值为7.0×10-6/℃。由式（1.3）和式（1.4）可得，由温度变化产生的Bragg波长漂移为
　　（1.7）
　　由式（1.7）可以看出在无应变作用时，Bragg波长漂移与温度变化呈线性关系，因此通过对FBG波长偏移量的解调分析即可得出温度的变化。
　　FBG传感光谱特性如图1.3所示。
　　图1.3 FBG传感光谱特性
　　1.5 光纤光栅增敏与封装
　　光纤光栅是一种新型的光无源器件，它通过在光纤轴向上建立周期性的折射率分布来改变或控制光在该区域的传播行为和方式。其中，具有纳米级折射率分布周期的光纤光栅称为光纤Bragg光栅。光纤光栅因具有制作简单、稳定性好、体积小、抗电磁干扰、使用灵活、易于同光纤集成及可构成网络等诸多优点，近年来被广泛应用于光传感领域[22]。
　　经过近十几年的研究，光纤光栅的传感机理已基本探明，用于测量各种物理量的多种结构光纤光栅传感器已被制作出来。目前，光纤光栅传感器可以检测的物理量包括温度、应变、应力、位移、压强、扭角、扭应力、加速度、电流、电压、磁场、频率及浓度等[23]。
　　由于裸光纤光栅直径只有125μm，在恶劣的工程环境中容易损伤，只有对其进行保护性的封装（如埋入衬底材料中），才能赋予光纤光栅更稳定的性能，延长其寿命传感器才能交付使用。同时，通过设计封装的结构，选用不同的封装材料，可以实现温度补偿，应力和温度的增敏等功能，这类“功能型封装”的研究正逐渐受到重视。
　　1. 温度减敏和补偿封装
　　由于光纤光栅对应力和温度的交叉敏感性，在实际应用中，经常在应力传感光栅附近串联或并联一个参考光栅，用于消除温度变化的影响。这种方法需要消耗更多的光栅，增加了传感系统的成本。若用热膨胀系数极小且对温度不敏感的材料对光纤光栅进行封装，将在很大程度上减小温度对应力测量精确性的影响。

迄今为止大多数可穿戴传感器的开发都是基于电学传感器。这些电学传感器通过测量电阻、电流和电压等电学性能的变化获知外部信号，它们普遍都对电磁干扰很敏感。光纤布拉格（Bragg）光栅是一种非常重要的光学器件，它在光纤光栅传感应用中取得了巨大的成功。由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、尺寸小、重量轻、耐温性好、复用能力强、灵敏度高等优点，早已成功地应用在航空、航天、化工、电力、船舶、煤矿、土木工程等各个领域，国内近些年来我们首先将其应用于体温、心音、脉搏、血压等可穿戴人体生命体征的测量中。《智能穿戴光纤与光子集成》共分为9章，由浅入深具体介绍了可穿戴光纤光栅人体温度和心动传感、光纤光栅解调光子集成、光波导耦合器、光栅耦合器、阵列波导光栅、光电探测器以及光子集成芯片解调等，《智能穿戴光纤与光子集成》具备从光纤光栅传感解调原理到光子器件、光子集成芯片的系统性知识。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 光纤光栅发展概况 1
1.3 光纤光栅耦合模理论 4
1.4 光纤光栅传感基本原理 5
1.5 光纤光栅增敏与封装 6
1.6 光纤Bragg光栅解调方法 8
1.6.1 匹配FBG可调滤波解调法 8
1.6.2 可调谐光纤F-P滤波器解调法 9
1.6.3 非平衡M-Z干涉仪解调法 10
1.6.4 可调谐窄带光源解调法 10
1.6.5 边缘滤波器解调法 12
1.6.6 阵列波导光栅解调法 13
参考文献 14
第2章 可穿戴光纤光栅人体温度传感 16
2.1 引言 16
2.2 可穿戴光纤光栅温度传感器 16
2.3 可穿戴光纤光栅温度场 19
2.3.1 服装热传递机理 19
2.3.2 光纤光栅温度场建模 21
2.3.3 光纤光栅温度场数值模拟 23
2.4 可穿戴光纤光栅人体温度检测 29
2.4.1 人体平均温度 29
2.4.2 人体温度加权模型 31
2.5 可穿戴光纤光栅温度解调光电路 35
2.5.1 温度解调原理 35
2.5.2 温度解调光路 37
2.5.3 温度解调电路 40
2.6 可穿戴光纤光栅温度解调信号处理 49
2.6.1 峰值检测算法 49
2.6.2 温度检测算法 51
2.6.3 软件总体设计 53
2.6.4 单片机程序设计 53
2.6.5 LPC2106程序设计 56
参考文献 58
第3章 可穿戴光纤光栅人体心动传感 60
3.1 引言 60
3.2 可穿戴光纤光栅心音检测 61
3.2.1 膜盒式结构心音检测理论及方法 64
3.2.2 光纤光栅振动膜片粘贴位置 67
3.2.3 光纤光栅心音检测理论 69
3.3 可穿戴光纤光栅心音传感器 70
3.3.1 光纤光栅心音传感器外壳 70
3.3.2 振动膜片与黏合剂 71
3.3.3 光纤光栅心音传感器封装 72
3.4 可穿戴光纤光栅心音传感器解调实验 77
3.4.1 温度特性 77
3.4.2 静态压力特性 79
3.4.3 频率特性 83
3.4.4 人体心音测试 85
3.5 可穿戴光纤光栅人体心动信号处理 89
3.5.1 心音信号提取算法 89
3.5.2 心音包络提取算法 92
3.5.3 心音起止点检测算法及验证 98
3.5.4 心音特征提取及分析 101
参考文献 102
第4章 光纤光栅解调光子集成概述 104
4.1 引言 104
4.2 单片硅基光子集成技术 106
4.2.1 硅基光子集成回路 106
4.2.2 硅基光子集成模块及其应用 109
4.2.3 单片硅基光子集成发展方向 112
4.3 阵列波导光栅解调光子集成 114
4.3.1 阵列波导光栅解调系统 114
4.3.2 阵列波导光栅解调光子器件 117
参考文献 119
第5章 光纤光栅解调光波导耦合器 121
5.1 引言 121
5.2 多模干涉耦合器 121
5.2.1 多模波导 121
5.2.2 输入/输出波导 124
5.2.3 工作波长 127
5.2.4 偏振特性 127
5.3 多模干涉耦合器测试 130
5.3.1 光学性能测试 130
5.3.2 偏振特性测试 132
参考文献 133
第6章 光纤光栅解调光栅耦合器 134
6.1 引言 134
6.2 光栅耦合器理论 135
6.2.1 等效介质理论 135
6.2.2 严格耦合波理论 137
6.3 光栅耦合器数值模拟 139
6.3.1 时域有限差分算法 139
6.3.2 光束传播法 145
6.4 输入光栅耦合器 147
6.4.1 均匀光栅耦合器 151
6.4.2 二元闪耀光栅耦合器 156
6.4.3 光栅耦合器器件测试 161
6.5 输入光栅耦合器阵列 162
6.5.1 2×1耦合器 162
6.5.2 弯曲波导 165
6.5.3 光栅耦合器阵列 168
6.5.4 光栅耦合器阵列器件测试 168
6.6 输出光栅耦合器 170
6.6.1 均匀光栅耦合器 170
6.6.2 二元闪耀光栅耦合器 176
6.6.3 二维光栅耦合器 179
6.6.4 光栅耦合器器件测试 182
参考文献 185
第7章 光纤光栅解调阵列波导光栅器件 187
7.1 引言 187
7.2 阵列波导光栅基本理论 188
7.2.1 平板波导 188
7.2.2 矩形波导 192
7.2.3 阵列波导光栅原理 195
7.2.4 阵列波导光栅参数 200
7.3 1×8阵列波导光栅 201
7.3.1 阵列波导光栅器件参数 201
7.3.2 阵列波导光栅数值模拟 206
7.3.3 阵列波导光栅器件测试 216
参考文献 221
第8章 光纤光栅解调锗波导光电探测器 222
8.1 引言 222
8.2 光电探测器工作原理 222
8.3 光电探测器结构设计 224
8.4 锗波导光电探测器结构设计 225
8.4.1 入射光波导 225
8.4.2 锗波导结构 230
8.5 锗波导光电探测器光电特性 233
8.5.1 锗波导探测器基本结构 233
8.5.2 光谱响应曲线和量子效率 235
8.5.3 响应度和响应时间 237
8.5.4 I-V特性曲线和3dB带宽 239
8.6 锗波导光电探测器性能测试 241
8.6.1 波导及光栅光学损耗 241
8.6.2 光电流和暗电流特性 242
8.6.3 响应度 243
参考文献 244
第9章 光子集成芯片解调实验 245
9.1 引言 245
9.2 光子集成芯片片上键合 245
9.3 光子集成芯片光纤耦合封装 253
9.4 光子集成芯片解调方法及实例 256
9.4.1 解调硬件和样衣制备 256
9.4.2 光子集成芯片温度解调方法 257
9.4.3 光子集成芯片心音解调方法 263
9.4.4 心音解调实验结果 265
参考文献 268
彩图