[发明专利]一种基于微波光子测量结合光学测量的温度传感系统

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于测量领域，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。

背景技术

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。

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(Freespectral 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。

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。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明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。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，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；

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。

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：