一种基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统，微波光子测量采用级联微环的直通端，由于第一微环用于微波光子测量，为了提高分辨率，其设计为宽波导的高Q微环。光学测量采用级联微环的下载端，并使得级联微环的包络与单个微环漂移方向相同。由游标效应使得两个微环级联后的光谱可以形成包络，监测包络顶点，可以同时放大传感范围和灵敏度。通过所述波长变化和频率变化获取待测温度变化值；光学测量可以提供较大的动态范围，微波光子测量可以实现高分辨率、高精度的温度测量，通过两种测量方法的整合同时实现高精度、大动态范围的温度测量。大动态范围的温度测量。大动态范围的温度测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统


[0001]本专利技术属于测量领域，更具体地，涉及一种基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统。

技术介绍

[0002]基于硅基波导的传感器件具有很小的器件尺寸、较小的材料损耗以及较强的光场限制作用，同时硅具有高折射率差、透明窗口宽、CMOS工艺兼容、集成度高等优点，因此可以实现高灵敏度和低检测极限的传感。
[0003]集成光子技术具有极大的潜力，可以提高传感器的性能，并降低光学传感系统的体积和成本。作为一种波长敏感器件，微环谐振器可用作性能优良的温度传感器件。首先，微环具有高品质因数，大消光比和低插损的优势。其次，微环可以进行大规模集成，并且与CMOS工艺兼容。级联微环谐振器的传感机制是谐振波长会随着待测量的变化而发生变化。普通的单个微环温度传感器的灵敏度一般为80pm/℃左右。级联环形谐振器的温度传感器可以同时提高灵敏度和传感动态范围，其测量范围受到传感微环自由频谱范围(Free spectral range,FSR)的限制。在传统的光学传感中，通常使用光谱分析仪解调光功率或光波长的偏移。由于光谱分析仪的分辨率较低，传感器的分辨率也受到限制。
[0004]为了解决这些问题，人们提出了使用微波光子技术解调的光学传感器。基于微波光子技术的传感器包括基于光电振荡器(Optoelectronic oscillator,OEO)的传感器和基于MPF(Microwave photonic filter,MPF)的传感器。基于OEO的传感器通过外界物理量变化引起滤波器中心频率改变，从而改变OEO振荡频率。基于MPF的传感器因施加到传感器件的外界物理量的改变，从而引起MPF的中心频率的改变。利用微波光子传感的高速、高分辨率的优势，可以实现高精度的温度测量。但是，微波光子传感实现高分辨率的代价是有限的测量范围。因此，如何增大微波光子传感范围，实现高精度大范围的温度传感，是当前亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统，由此解决现有的微波光子传感测量范围较小的技术问题。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统，包括：激光光源、宽谱光源、偏振分束器、依次连接构成环路的相位调制器、光学滤波器、偏振合束器、放大器、级联微环谐振器和光电探测器；
[0007]所述激光光源发出的光依次经由相位调制器和光学滤波器进行调制和滤波后，得到单边带调制信号，并传输至偏振合束器；所述宽谱光源发出的光经由偏振分束器得到线偏振光，并传输至偏振合束器；所述单边带调制信号和线偏振光由偏振合束器合束后，依次传输至放大器和级联微环谐振器；
[0008]所述光电探测器的输入端与级联微环谐振器的直通端连接，用于将所述级联微环
谐振器的直通端输出的光信号转换为所述微波信号，并反馈至所述相位调制器，以对所述激光光源发出的光进行调制；
[0009]所述级联微环谐振器包括第一微环和第二微环；所述级联微环谐振器的下载端为光学测量端口，用于测量波长变化值；所述第一微环的直通端为微波光子测量端口，用于测量频率变化值；基于所述波长变化值和频率变化值获取待测温度变化值。
[0010]优选地，波长变化值Δλ
res
、频率变化值Δf与待测温度变化值ΔT满足以下关系式：
[0011][0012]其中，DR为微波光子测量的温度变化范围，S
f
为微波光子测量的灵敏度，S
λ
为光学测量的温度灵敏度。
[0013]优选地，采用光谱仪通过所述级联微环谐振器的下载端测量波长变化值。
[0014]优选地，采用矢量网络分析仪通过所述第一微环的直通端测量频率变化。
[0015]优选地，所述系统还包括第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器和第四偏振控制器；
[0016]所述第一偏振控制器用于对所述激光光源发出的光的偏振态进行调整；
[0017]所述第二偏振控制器和第三偏振控制器用于分别用于所述对单边带调制信号和线偏振光的偏振态进行调整；
[0018]所述第四偏振控制器用于调节光进入级联微环谐振器的耦合光栅前的偏振态，使耦合效率达到最大。
[0019]优选地，所述第一微环为高Q值微环。
[0020]优选地，所述第一微环和第二微环的自由频谱范围FSR1、FSR2之间差值范围为2
‑
6pm。
[0021]优选地，所述级联微的漂移方向与所述第一微环和第二微环的漂移方向相同。
[0022]优选地，所述第一微环和第二微环的自由频谱范围FSR1、FSR2、灵敏度S1、S2、环长L1、L2、波导宽度W1、W2满足以下关系式：
[0023]FSR1<FSR2，S1>S2，L1>L2，W1>W2。
[0024]优选地，所述级联微环谐振器包括但不限于硅、二氧化硅、铌酸锂、氮化硅中的任一种材料；所述级联微环谐振器包括但不限于条波导、脊波导中的任一种波导结构。
[0025]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0026]1、本专利技术提供的基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统，通过对级联微环结构的设计，使用包括第一微环和第二微环的级联微环作为温度传感器件，放大温度测量的范围及灵敏度，将级联微环的下载端作为光学测量的端口用于测量波长变化，第一微环作为温度传感器的同时，也作为微波光子滤波器中的滤波器件，其直通端作为微波光子测量的端口用于测量频率变化，通过所述波长变化和频率变化获取待测温度变化值；光学测量可以提供较大的动态范围，微波光子测量可以实现高分辨率、高精度的温度测量，通过两种测量方法的整合同时实现高精度、高分辨率、大动态范围的温度测量。
[0027]2、本专利技术提供的基于微波光子结合光学测量的温度传感系统，由于采用单边带调制信号结合微环谐振器得到的带陷微波光子滤波器，使得微波光子传感测得的频率随着温度变化周期性地单调变化，从而使得基于带陷MPF解调的传感测量范围比现有的基于OEO解调的测量范围增大一倍，增大了测量范围。
[0028]3、本专利技术提供的基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统，通过第二偏振控制器和第三偏振控制器分别调节光学滤波器输出的单边带调制信号和偏振分束器输出的线偏振光使得两路光的光功率比例调节到最佳；通过第四偏振控制器调节光进入耦合光栅前的偏振态使耦合效率达到最大，从而进一步提高测量精度。
[0029]4、本专利技术提供的基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统，将级联微环中的高Q微环同时用作温度传感器件和微波光子滤波器中的滤波器件，实现带陷微波光子滤波器的频率随温度周期性的单调变化，从而进一步提高测量范围；并且，由于设计第一微环为高Q微环，使微波光子滤波本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统，其特征在于，包括：激光光源、宽谱光源、偏振分束器、依次连接构成环路的相位调制器、光学滤波器、偏振合束器、放大器、级联微环谐振器和光电探测器；所述激光光源发出的光依次经由相位调制器和光学滤波器进行调制和滤波后，得到单边带调制信号，并传输至偏振合束器；所述宽谱光源发出的光经由偏振分束器得到线偏振光，并传输至偏振合束器；所述单边带调制信号和线偏振光由偏振合束器合束后，依次传输至放大器和级联微环谐振器；所述光电探测器的输入端与级联微环谐振器的直通端连接，用于将所述级联微环谐振器的直通端输出的光信号转换为所述微波信号，并反馈至所述相位调制器，以对所述激光光源发出的光进行调制；所述级联微环谐振器包括第一微环和第二微环；所述级联微环谐振器的下载端为光学测量端口，用于测量波长变化值；所述第一微环的直通端为微波光子测量端口，用于测量频率变化值；基于所述波长变化值和频率变化值获取待测温度变化值。2.如权利要求1所述的基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统，其特征在于，波长变化值Δλ
res
、频率变化值Δf与待测温度变化值ΔT满足以下关系式：其中，DR为微波光子测量的温度变化范围，S
f
为微波光子测量的灵敏度，S
λ
为光学测量的温度灵敏度。3.如权利要求2所述的基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统，其特征在于，采用光谱仪测量所述级联微环谐振器下载端的波长变化值。4.如权利要求2或3所述的基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统，其特征在于，采用矢量网络分析仪通过所...

【专利技术属性】
技术研发人员：于源，崔帅，徐落秋，张新亮，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：