一种光子温度传感系统及其测温方法与流程

1.本发明涉及温度传感技术领域，尤其涉及一种光子温度传感系统及 其测温方法。


背景技术：

2.尽管温度计已经无处不在，但是在过去的几十年里发展非常缓慢。 作为精确测量温度的标准载体，标准铂电阻温度计最初是在一个多世纪 前开发出来的。此外，现代许多温度传感器仍依赖于对金属薄膜或导线 电阻实现温度传感，其电阻随温度而变化。虽然利用电阻实现测温的温 度计在常规测量中的不确定度为10mk，但这类温度计对机械冲击很敏 感，这会导致电阻随时间而漂移，需要频繁的离线且校准耗时。
3.近年来，光子器件改变温度传感的底层基础实现温度传感的趋势， 有望最终作为电阻式温度计的替代品。这类光子器件具有更大的测温灵 敏度，同时对电磁干扰有很强的鲁棒性。而光学谐振腔是指能把光场限 制在微纳米级别的谐振腔。最近几年，微纳加工技术及半导体工艺都不 断成熟，对于光学微腔的研究也更进一步。光学微腔模式体积小，品质 因数高，极大增强了光与物质相互作用，在腔量子电动力学、非线性光 学、低阈值激光器及高灵敏度传感器方面有比较广泛的应用。
4.环形谐振腔品质因子q高，模式体积v小。品质因子、模式体积指 的是在时间维度和空间维度上描述微腔对光子的有效束缚能力。基于微 环谐振腔的光子温度传感器具有高的灵敏度和准确度、体积小、可集成 以及可用于强电磁环境等优势，被广泛地应用于传感领域。基于光学微 腔的光学传感是通过测量共振模式在被测传感物理量变化或者泵浦光源 扰动后光谱特征发生改变实现的。其是利用材料特性的温度变化—通常 是热光效应和热膨胀效应的结合在光谱中呈现中心波长的移动实现温度 传感。
5.在光学腔的测量传感中，如果将匹配谐振峰波长的光信号用以监控 感知物理量，并根据测量光信号在待测物理量扰动光学腔后发生光强度 变化实现对该物理量的感知。但该测量方案受到系统噪声的限制，包括 激光频率噪声、功率噪声以及偏振的影响。


技术实现要素：

6.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种光子温度传感系统及 其测温方法，用以解决现有方法受到激光频率噪声、功率噪声和偏振的 影响问题。
7.一方面，本发明实施例提供了一种光子温度传感系统包括：激光器、 频率控制环、功率控制环、光子温度传感探头和第一光电探测器，其中， 所述激光器，用于生成激光；所述频率控制环，用于基于频率反馈信号 对所述激光器进行频率控制以生成频率稳定激光信号；所述功率控制环， 用于基于功率反馈信号调制所述频率稳定激光信号的功率以生成频率和 功率稳定的光信号；所述光子温度传感探头，用于将所述频率和功率稳 定的光信号提供给所述光子温度传感探头以生成输出光信号；以及所述 第一光电探测器，用于接收所述输出光信号，并将所述输出光信号转换 为第一电信号以根据所述第一电信号获取温度值。
8.上述技术方案的有益效果如下：根据本发明实施例的光子温度传感 系统具有频率和功率稳定功能，通过频率控制环稳定光源频率以及通过 功率控制环稳定功率，该频率和功率稳定系统能够改善由于激光频率噪 声和激光功率噪声引起的系统误差。
9.基于上述系统的进一步改进，所述频率控制环包括第一分束器、波 长计、数据采集卡、个人计算机，其中，所述第一分束器，用于将所述 激光分成第一束光和第二束光；所述波长计，用于接收所述第二束光并 且经由所述数据采集卡将所述第二束光的波长提供给所述个人计算机； 以及所述个人计算机，用于根据所述第二束光的波长设置反馈频率以生 成频率反馈信号，并经由所述数据采集卡将所述频率反馈信号提供给所 述激光器，使得激光器输出频率稳定激光信号。
10.基于上述系统的进一步改进，所述功率控制环包括：声光调制器、 起偏器、第二分束器、第二光电探测器、伺服控制器、射频源和功率放 大器，其中，所述声光调制器，用于接收所述功率反馈信号并根据所述 功率反馈信号调制所述第一束光的功率，以输出功率稳定的第一束光； 所述起偏器，用于使所述功率稳定的第一束光进行偏振；所述第二分束 器，用于将偏振的第一束光划分为第三束光和第四束光；所述第二光电 探测器，用于接收所述第四束光并将所述第四束光转换为第二电信号； 所述伺服控制器，用于根据所述第二电信号生成数字控制信号；所述射 频源，用于将所述数字控制信号调制为射频信号；以及所述功率放大器， 用于放大所述射频信号以生成所述功率反馈信号。
11.基于上述系统的进一步改进，光子温度传感系统还包括偏振控制器， 设置在所述第二分束器和所述光子温度传感探头之间，用于控制所述第 三束光的偏振方向以使尽可能多的第三束光通过所述光子温度传感探 头。
12.基于上述系统的进一步改进，所述光子温度传感探头包括：光学芯 片和设置在所述光学芯片上的波导和环形谐振腔，其中，所述波导包括 耦合输入端、输入部分、第一弯曲部分、直波导、第二弯曲部分、输出 部分和耦合输出端，其中，所述输入部分，设置在所述耦合输入端和所 述第一弯曲部分之间，其宽度从所述耦合输入端至所述第一弯曲部分逐 渐变小，其中，所述耦合输入端的第一宽度大于所述第一弯曲部分的第 二宽度；所述第一弯曲部分和所述第二弯曲部分，具有均匀的第二宽度； 所述直波导，设置在所述第一弯曲部分和所述第二弯曲部分之间，并且 具有均匀的第二宽度；所述输出部分，设置在所述耦合输出端和所述第 二弯曲部分之间，其宽度从所述耦合输出端至所述第二弯曲部分逐渐变 小，其中，所述耦合输出端的第一宽度大于所述第二弯曲部分的第二宽 度。
13.基于上述系统的进一步改进，所述耦合输入端和所述耦合输出端设 置为浅刻蚀光栅结构，其中，所述浅刻蚀光栅结构的方向与所述输入部 分和所述输出部分的方向垂直。
14.基于上述系统的进一步改进，根据特定波长的光设置所述浅刻蚀光 栅结构的刻蚀深度、占空比和周期。
15.基于上述系统的进一步改进，所述光子温度传感探头还包括传输结 构，其中，所述传输结构包括输入光纤、输出光纤、v型槽基板和光纤 盖板，所述输入光纤和所述输出光纤固定在所述v型槽基板的v型槽中 并通过所述光纤盖板覆盖在所述v型槽基板、所述输入光纤和所述输出 光纤上方。
16.基于上述系统的进一步改进，所述输入光纤和所述输出光纤与所述 光学芯片的
法线之间角度大于等于8
°
；以及所述输入光纤和所述输出光 纤为单模保偏光纤。
17.另一方面，本发明实施例提供了一种光子温度传感系统的测温方法 包括：通过激光器生成激光；通过频率控制环基于频率反馈信号对所述 激光器进行频率控制以生成频率稳定激光信号；通过功率控制环基于功 率反馈信号调制所述频率稳定激光信号的功率以生成频率和功率稳定的 光信号；将所述频率和功率稳定的光信号提供给光子温度传感探头以生 成输出光信号；以及接收所输出光信号，并将所述输出光信号转换为第 一电信号以根据所述第一电信号获取温度值。
18.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
19.1、根据本发明实施例的光子温度传感系统具有频率和功率稳定功 能，通过频率控制环稳定光源频率以及通过功率控制环稳定功率，该频 率和功率稳定系统能够改善由于激光频率噪声和激光功率噪声引起的系 统误差。
20.2、根据本发明实施例的光子温度传感系统具有低噪声水平，强抗电 磁干扰的特点使之在航空航天和微流体应用领域具有巨大的潜力。
21.3、在功率控制环路中加入偏振片或棱镜使光源偏振稳定，构建了光 源的偏振-功率稳定系统，有利于提高测温分辨率。
22.本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优 选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且， 部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本 发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来 实现和获得。
附图说明
23.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制， 在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
24.图1为根据本发明实施例的光子温度传感系统的框图。
25.图2a为根据本发明实施例的光子温度传感探头的结构示意图；
26.图2b为根据本发明实施例的光子温度传感探头中的浅刻蚀光栅结构 的示意图；
27.图3为根据本发明实施例的浅刻蚀光栅透过谱的曲线图；
28.图4a为根据本发明实施例的光子温度传感探头的三维结构示图；
29.图4b为根据本发明实施例的光子温度传感探头的侧视图；
30.图5为根据本发明实施例的耦合系统的示意图；
31.图6为根据本发明实施例的室温下硅微环耦合结构扫描归一化透过 谱；
32.图7为根据本发明实施例的封装后器件扫描透过谱归一化图形；
33.图8为根据本发明实施例的测温实验装置的示意图；
34.图9a为根据本发明实施例的共振波长随温度变化示图；
35.图9b为根据本发明实施例的温度-波长线性图；
36.图10a为根据本发明实施例的1540nm-1560nm扫描透射峰的示图；
37.图10b为根据本发明实施例的1540nm-1552nm扫描透射峰的示图；
38.图10c为根据本发明实施例的稳频率稳功率后扫描透射峰的示图；
39.图10d为根据本发明实施例的频率锁定前的透射峰的示图；
40.图11为根据本发明实施例的通过浴槽提供10mk温度扰动，得到分 辨率响应曲线图；
41.图12为根据本发明实施例的光子温度传感系统的测温方法的流程 图。
具体实施方式
42.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本 申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用 于限定本发明的范围。
43.本发明的一个具体实施例，公开了一种光子温度传感系统，参考图1， 该光子温度传感系统包括：激光器102、频率控制环104、功率控制环106、 光子温度传感探头108和第一光电探测器110，其中，激光器102，用于 生成激光；频率控制环104，用于基于频率反馈信号对激光器102进行频 率控制以生成频率稳定激光信号；功率控制环106，用于基于功率反馈信 号调制频率稳定激光信号的功率以生成频率和功率稳定的光信号；光子 温度传感探头108，用于将频率和功率稳定的光信号提供给光子温度传感 探头以生成输出光信号；以及第一光电探测器110，用于接收所述输出光 信号，并将所述输出光信号转换为第一电信号以根据所述第一电信号获 取温度值。
44.与现有技术相比，本实施例提供的光子温度传感系统，根据本发明 实施例的光子温度传感系统具有频率和功率稳定功能，通过频率控制环 稳定光源频率以及通过功率控制环稳定功率，该频率和功率稳定系统能 够改善由于激光频率噪声和激光功率噪声引起的系统误差。
45.光子温度传感系统包括：激光器102、频率控制环104、功率控制环 106、偏振控制器、光子温度传感探头108和第一光电探测器110。下文 中，将参考图1至图2b、图4a、图4b和图8，对根据本发明实施例的光 子温度传感系统进行详细描述。
46.激光器102用于生成激光。具体地，激光器(laser)的作用是提 供一束功率在mw量级、波长在1500-1560nm范围内连续可调谐的激光 光源。
47.频率控制环104用于基于频率反馈信号对激光器102进行频率控制 以生成频率稳定激光信号。具体地，参考图8，频率控制环104包括第一 分束器、波长计wm、数据采集卡daq、个人计算机pc。第一分束器 用于将激光分成第一束光和第二束光；波长计，用于接收第二束光并且 经由数据采集卡将第二束光的波长提供给个人计算机；以及个人计算机， 用于根据第二束光的波长设置反馈频率以生成频率反馈信号，并经由数 据采集卡将频率反馈信号提供给激光器，使得激光器输出频率稳定激光 信号。具体地，根据第二束光的波长可以获取第二束光的频率，并且将 该第二束光的频率与预定频率进行比较以获取频率差值作为频率反馈信 号。
48.功率控制环106用于基于功率反馈信号调制频率稳定激光信号的功 率以生成频率和功率稳定的光信号。功率控制环106包括：声光调制器 aom、起偏器(polarizer)、第二分束器、第二光电探测器(pd2)、伺 服控制器pi、射频源rf和功率放大器pa。声光调制器用于接收功率反 馈信号并根据功率反馈信号调制第一束光的功率，以输出功率稳定的第 一束光；起偏器用于使功率稳定的第一束光进行偏振；第二分束器用于 将偏振的第一束光划分为第三束光和第四束光；第二光电探测器用于接 收第四束光并将第四束光转换为第二电信号；伺服控制器用于根据第二 电信号生成数字控制信号；射频源用于将数字控制信号
调制为射频信号； 以及功率放大器用于放大射频信号以生成功率反馈信号。
49.偏振控制器设置在第二分束器和光子温度传感探头之间，用于控制 第三束光的偏振方向以使尽可能多的第三束光通过光子温度传感探头。
50.光子温度传感探头108用于将频率和功率稳定的光信号提供给光子 温度传感探头以生成输出光信号。具体地，参考图2a，光子温度传感探 头包括：光学芯片和设置在光学芯片上的波导和环形谐振腔，其中，波 导包括耦合输入端、输入部分、第一弯曲部分、直波导、第二弯曲部分、 输出部分和耦合输出端，其中，输入部分设置在耦合输入端和第一弯曲 部分之间，其宽度从耦合输入端至第一弯曲部分逐渐变小。耦合输入端 的第一宽度大于第一弯曲部分的第二宽度，耦合输入端和输入部分的第 一端均具有第一宽度，输入部分的第二端和第一弯曲部分具有第二宽度。 具体地，输入部分的第一端的第一宽度大于输入部分的第二端的第二宽 度，第一宽度为最大宽度以及第二宽度为最小宽度；第一弯曲部分和第 二弯曲部分具有均匀的第二宽度；直波导设置在第一弯曲部分和第二弯 曲部分之间，并且具有均匀的第二宽度；输出部分设置在耦合输出端和 第二弯曲部分之间，其宽度从耦合输出端至第二弯曲部分逐渐变小。耦 合输出端的第一宽度大于第二弯曲部分的第二宽度，具体地，输出部分 的第二端具有第二宽度以及输出部分的第一端具有第一宽度。参考图2b， 耦合输入端和耦合输出端设置为浅刻蚀光栅结构，其中，浅刻蚀光栅结 构的方向与输入部分和输出部分的方向垂直。根据特定波长的光设置浅 刻蚀光栅结构的刻蚀深度、占空比和周期。例如，为了使1550nm的光波 段透过率最大，沟槽的刻蚀深度为70nm，栅格周期为615nm，占空比约 为0.5。环形谐振器设置为邻近直波导而远离耦合输入端和耦合输出端。 参考图4a，光子温度传感探头还包括传输结构，经由输入光纤和输出光 纤分别连接在耦合输入端和耦合输出端。传输结构包括输入光纤、输出 光纤、v型槽基板和光纤盖板，输入光纤和输出光纤固定在v型槽基板 的v型槽中并通过光纤盖板覆盖在v型槽基板、输入光纤和输出光纤上 方。输入光纤和输出光纤与光学芯片的法线之间角度大于等于8
°
(参见 图4b)；以及输入光纤和输出光纤为单模保偏光纤。
51.第一光电探测器110用于接收所述输出光信号，并将所述输出光信 号转换为第一电信号以根据所述第一电信号获取温度值。经由数据采集 卡daq将第一电信号传送给个人计算机pc，个人计算机根据第一电信 号获取温度值，具体地，个人计算机根据第一电信号能够获取频率，然 后根据如图9a和图9b所示的曲线图获取温度值。
52.本发明的一个具体实施例，公开了光子温度传感系统的测温方法。 参考图12，根据本发明实施的光子温度传感系统的测温方法包括：在步 骤1202中，通过激光器生成激光；在步骤1204中，通过频率控制环基 于频率反馈信号对激光器进行频率控制以生成频率稳定激光信号；在步 骤1206中，通过功率控制环基于功率反馈信号调制频率稳定激光信号的 功率以生成频率和功率稳定的光信号；在步骤1208中，将频率和功率稳 定的光信号提供给光子温度传感探头以生成输出光信号；以及在步骤 1210中，接收所述输出光信号，并将所述输出光信号转换为第一电信号 以根据第一电信号获取温度值。
53.下文中，参考图2a至图11，以具体实例的方式对根据本发明实施例 的光子温度传感系统进行详细描述。
54.光学腔谐振峰光谱线型宽度越小、线型的斜率越大，引起的光强度 变化越大，从而感知灵敏度越高。基于此原理，本套测温系统采用边沿 法测温，即测量谐振峰边缘谐振
峰一侧最陡处在特定频率的光强变化实 现对温度的传感。而共振频率的一个小的、温度相关的位移会导致光强 度的极大变化。由于共振线型是已知量，透射反射谱强度变化可以换算 为中心频率的变化。
55.本技术构建了具有光源稳定功能的光子温度传感系统，该系统主要 通过硅基微环结构展现了微腔在温度传感方面的能力，构建光源的偏振
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功率稳定系统来改善由于激光频率噪声和激光功率噪声引起的系统误 差，研制完整的光子温度传感系统一套。实现100k以上的测温范围且实 际测温分辨率小于10mk的工作温度。
56.频率控制环将频率锁定在谐振峰边缘一侧最陡处，具体地，波长计 探测激光器出射光频率，labview监测波长计读数，馈送反馈电信号控制 激光器的压电陶瓷实现频率稳定。实现更高灵敏度的温度传感。本发明 搭建现实可行的完整的光子温度传感系统，能够提升温度传感的灵敏度 和测温范围。本发明主要通过硅基微环结构展现了微腔在温度传感方面 的能力，构建了光源的偏振、功率稳定系统来改善由于激光频率噪声和 激光功率噪声引起的系统误差，完整的光子温度传感系统能够实现100k 以上的测温范围且实际测温分辨率小于10mk。
57.基于光学微腔的光学传感是通过测量共振模式在被测传感物理量变 化或者泵浦光源扰动后光谱特征发生改变实现的。该测温系统采用边沿 法测谐振峰边缘谐振峰一侧最陡处在特定频率的光强变化实现对外界温 度的传感。
58.参考图4，利用一个六轴压电平台及三轴移动平台实现光学芯片和耦 合端头的耦合对准，使用折射率适配的紫外胶固定光学芯片和耦合端头 的相对空间位置成为封装好的传感探头。随后进行性能测试，性能测试 方案是将封装好的传感探头以及一个标定好的铂电阻温度计一起放入玻 璃管进入浴槽。标定主要参数：光学微腔的品质因子q(描述微腔在时 间维度上对光子的有效束缚能力)；自由频谱范围fsr(自由频谱范围fsr: 只有角量子数相差1的两个回音壁模式的频率间隔或波长间隔)；光子温 度传感器的灵敏度、测温范围以及温度分辨率。
59.铂电阻温度计工作原理是当温度变化时感温铂丝能自由膨胀和收 缩。通过测量温度计感温元件的电阻，利用温标的内插公式。输出一条 随时间变化的温度曲线。
60.传统上，基于光纤布拉格光栅(fbg)的光子温度计采用连续波长 扫描技术来测量温度变化。在波长扫描模式下，连续扫描探测激光经过 目标的频率区域，记录透射反射光谱，计算其中心频率，然后将中心频 率转换为温度。而我们这里采用的是条形光栅结构，且是在稳频稳功率 的前提下，将目标频率锁定在谐振峰边缘一侧最陡处。这样可以使得这 样可以通过透射光功率变化反映外界环境温度改变。
61.1、光子器件制备
62.图2a和图2b描绘了光子器件图和浅刻蚀光栅结构示意图，该器件 由环形谐振器耦合到直波导，设计宽度520nm，波导和微环距离60nm， 确保单模传输。本实验采用的光纤与器件的耦合方式为垂直耦合，耦合 光纤为阵列光纤，器件耦合处设置为浅刻蚀光栅结构。光栅周期615nm， 光栅刻蚀深度70nm，光栅侧壁垂直且光滑，以获得较高的耦合效率。光 栅的作用是提供了一种有效的自由空间光耦合到光子器件的方法。
63.本实验采用的光纤与器件的耦合方式为垂直耦合，耦合光纤为阵列 光纤，器件耦合处设置为浅刻蚀光栅结构。通过对特定波长的光设计浅 刻蚀光栅结构的刻蚀深度、占空
比及周期，可以提高耦合效率。光入射 角度对光纤与微腔的耦合也有很大影响，本实验设置的光入射角为8
°
， 即入射光纤方向与垂直方向之间角度为8
°
采用浅刻蚀条形光栅通过参数 设置提升耦合效率。利用fdtd软件自带优化过程进行浅刻蚀光栅的设 计。首先设定固定结构参数，如硅层厚度，底硅厚度等。然后通过设定 扫描优化，得到1550nm波长下的最佳周期及占空比等参数。通过上述设 计优化，得到浅刻蚀光栅最佳耦合周期为615nm，占空比为0.5，光栅刻 蚀深度为60nm，将优化好的参数设计为完整的浅刻蚀光栅结构，用fdtd 进行二维仿真，得到的光栅透过谱如图3所示，中心波长为1550nm，最 佳耦合效率为45.7％，符合实验要求所需。
64.2、耦合探头制备
65.本发明使用光纤将光引导到一个温度传感单元，并感知温度传感单 元的光学状况的变化，且该温度传感单元工作时不需要电，因此，具有 良好的抗雷电、抗电磁噪声、便于远距离传感等优点。使用六自由度高 精度纳米定位系统矫正芯片和端头耦合位置、角度，使之呈现最佳耦合 效率，通过光子器件耦合光栅参数设置和采用折射率匹配的紫外胶粉使 器件封装前后性能基本保持一致。最终得到高耦合效率的传感器件。
66.在本发明中，如图4a和图4b所示，通过将采光通光的两根光纤固 定在v型槽基板上，与光纤盖板组成主要传输结构。
67.在本发明中，温度传感单元由传输结构和与之相匹配的光学微环光 学芯片组成。
68.特别的，在本发明中，光纤入射角度与光学芯片法线角度最好等于 或大于8
°
。
69.特别的，在本发明中，传输光场使用的光纤最好为单模保偏光纤。
70.特别的，在本发明中，用于温度传输的两芯光纤段采用由石英玻璃 制成的v型槽基板和光纤盖板固定，如图4a和图4b所示。
71.在本发明中，探头包括石英玻璃制成的v型槽基板和光纤盖板，即 使在重复的冷热交替中也能稳定地进行传感，进一步提高了传感稳定度。
72.传感探头包含两个光纤采光通光；一个硅基微环光学芯片束缚光子。
73.此外将采光通光的两根光纤固定在v型槽基板上，与微环芯片形成 探头的主要结构；探头由将用于温度传感的测温探头封装而成。
74.在耦合对准中，芯片放置在六轴压电平台上。它是一个六自由度高 精度纳米定位系统，有六个运动轴，三个为线性，三个为旋转。输入光 纤使用8
°
的耦合端头夹具固定，夹具放置在三轴精准纳米移动平台上如 图5所示，可精准控制夹具前后移动，方便光纤与芯片的对准。通过真 空气路抽气将芯片及耦合头固定在平台及夹具上，保证耦合过程的稳定 性。光学芯片与耦合头截面的垂直相对位置设置为20微米。对于最佳耦 合位置的评判，是通过观察输出电压换算通光效率来实现的。
75.3、器件性能标定
76.找到光纤与器件的最佳耦合位置之后，需要对器件的性能进行标定， 即对器件的q值和fsr进行测量。搭建实验系统，接入光电探测器pd、 示波器osc以及适配的光路系统，在示波器osc上观察谐振腔透过谱 线型。首先用激光器laser进行1530-1560nm宽范围的波长扫描，用 波长计osc对扫描范围进行精确记录。
77.扫描得到器件透过谱如图6所示，利用公式：
78.q＝λ/
△
λ
79.其中λ为谐振峰中心波长；δλ为谐振峰的线宽，即线型的半高宽； 自由频谱范围fsr是两个谐振峰之间的波长间隔。
80.通过拟合计算可得到器件自由光谱范围(fsr)和器件q值。可知 器件自由光谱范围在8.85nm，q值为76440。
81.找到最佳耦合位置后，对器件的性能进行测试，之后用紫外胶对器 件及光纤头进行整体封装，需要使用折射率适配的紫外胶固定其相对空 间位置，得到一个封装好的传感探头。值得注意的是封装时，点胶要在 器件外边缘，尽量避免紫外胶进到耦合区域中，影响器件性能。封装后， 需要再次对器件的性能进行标定，通过宽光谱扫描得到透过谱，观察封 装后器件q值及fsr，封装后扫描透过谱如图7所示。通过拟合计算得 到，封装后器件q值降为60587，fsr为8.84nm，与封装前相差不大。
82.标定光子器件温度灵敏度时，将传感探头和铂电阻共同放入浴槽中， 模拟如航空航天、微流体等特殊环境中的mk量级的微小温度变化氛围。
83.通过控制浴槽温度，改变器件周围环境温度。在这里构建一套新的 采用边沿法测温系统，该测温系统与传统的测温系统相比，通过在aom 环路中外加起偏器用以偏振稳定，加入光源稳定系统实现光源功率噪声 和频率噪声的改善，有利于提高分辨率，最终测温实验装置示意图如图8 所示。
84.激光器(laser)的作用是提供一束功率在mw量级、波长在 1500-1560nm范围内连续可调谐的激光光源。
85.通过一个10/90分束器，分出一路(10％光源)接入波长计(wm)。
86.声光调制器接受功率放大器放大的反馈信号调制光源，使得光源功 率恒定在一定水平。
87.特别的，在aom环路中加入偏振片或棱镜使光源偏振稳定，保证光 源偏振稳定性。
88.第二个10/90分束器，分出一路(10％光源)经过光电探测器转化为 电信号接入伺服控制器(pi)。
89.伺服控制器(pi)接收pd电信号，输出控制信号控制rf源幅值。
90.射频源(rf)将输入的数字信号调制为射频信号再将信号放大用于声 光调制。
91.功率放大器用于放大rf信号功率。
92.实验中，我们采取外加浴槽(bath)的方法为传感探头模拟外界环 境温度变化，使用浴槽的好处在于可以提供一个在mk量级的系统可控 的温度变化；采用浴槽是为了模拟如航空航天、微流体等特殊环境中的 mk量级的微小温度变化氛围。
93.光电探测器(pd)将光信号转化为电信号。
94.示波器(osc)监测并显示pd的电信号。
95.数据采集卡(daqmax)采集波长计(wm)的信号，配合pc端labview 程序设置的频率实现对激光器的压电陶瓷pzt的反馈控制，实现频率稳 定。
96.当温度改变时，由于器件材料热光效应和热膨胀效应，材料折射率 及器件体积会随着温度的改变而发生变化。对于硅材料，热光系数在10-4
量级，而热膨胀系数在10-6
量级，由此可见其热光系数比热膨胀系数高 两个数量级，因此只考虑热光系数的影响即可。微腔的共振波长会随着 材料折射率的变化而变化，因此温度对于微腔的影响最终体现在共振波 长随温度变化的偏移上，如图9a所示。
97.由图9b可知，通过升温得到器件温度灵敏度为79.62pm/k，而封装 后fsr为8.84nm，计算得到器件测温范围约为111k，测温范围大于100k。
98.值得注意的是在实验过程中，有时候透过谱会出现热展宽现象。考 虑原因可能是由于输入功率过高，引起器件本身自热响应，造成透过谱 展宽现象，此时需要在线路中加入衰减器，进行功率衰减。加入衰减器 后，热展宽现象消失。
99.光子温度传感器件的测温分辨率取决于其中的光学微腔的测温分辨 率，微腔测温分辨率是指外界环境温度扰动时，微腔能分辨的最小值。 美国标准局研制的电阻温度计25欧标准铂电阻温度计，电桥分辨 0.02mk，我国生产的石英温度传感器分辨率达到0.1mk。本实验利用 pt100铂电阻作为温度分辨率参考温度，其分辨率为1mk，测温范围为
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200至850℃。本套方案对微腔温度传感器的期许分辨率为10mk，进行 10mk分辨率标定测量时，将频率锁定到谐振峰一侧最陡处后，示波器上 信号噪声过大。
100.在这里如何量化并改善系统噪声成为关键，因此将信号接入相噪分 析仪，分析噪声信号，阿兰方差等。通过监测微环谐振器的输出功率和 激光波长做时间的函数，并且在测量激光频率的同时量化激光器激光频 率长期漂移引入的频率噪声。
101.在这里提供一种新的边沿法测量mk级别温度变化的方法，首先控 制激光在1540nm-1560nm的频率范围里粗略扫描寻找目标谐振峰如图 10a所示，再在1540nm-1550nm精细扫描得到如图10b所示透射谱图。 然后加入的声光调制器aom功率稳定系统，使得激光功率稳定在一个恒 定的功率水平上，如图10c为稳频率稳功率后扫描透射峰。
102.值得注意的是还需要调节激光器、偏振控制器将频率锁定在谐振峰 一侧进行激光频率扫描，在透射峰标识谐振峰一侧最陡处edge电平和谐 振峰中心频率处botton电平如图10d所示。然后开启频率控制环使得激 光频率稳定在一个更高稳定度的频率水平上，最后将激光频率锁定在谐 振峰一侧斜率最大处。
103.通过浴槽提供10mk温度扰动，得到分辨率响应线型，如图11所示。
104.图11可以看出，温度升高10mk时，温度变化趋势与微腔传感器件 电压变化趋势一致，因此说本传感器件具有最低10mk分辨率。
105.总之，本传感器件实现了具有最低10mk分辨率。本套光子温度传 感系统改善了由于激光频率和激光功率引入的系统误差。其具有的低噪 声水平，强抗电磁干扰的特点使之在航空航天和微流体应用领域具有巨 大的潜力。
106.主要通过硅基微环结构展现了微腔在温度传感方面的能力。采用了 光谱边沿法测温方案，构建光源的偏振-功率稳定系统来改善由于激光频 率噪声和激光功率噪声引起的系统误差。研制了完整的光子温度传感系 统一套。实现了100k以上的测温范围且实际测温分辨率小于10mk。
107.优化现有的光子温度传感器件封装技术后，微环谐振腔q值高达 60587，且fsr为8.84nm。
108.采用光谱边沿法测温提高了测温分辨率，已构建实验证明具有最低10mk分辨率。
109.在aom环路中加入偏振片或棱镜使光源偏振稳定,构建了光源的偏 振-功率稳定系统。有利于提高测温分辨率。
110.本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程， 可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计 算机可读存储介质中。其中，
所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、 只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
111.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围 并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范 围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种光子温度传感系统，其特征在于，包括：激光器、频率控制环、功率控制环、光子温度传感探头和第一光电探测器，其中，所述激光器，用于生成激光；所述频率控制环，用于基于频率反馈信号对所述激光器进行频率控制以生成频率稳定激光信号；所述功率控制环，用于基于功率反馈信号调制所述频率稳定激光信号的功率以生成频率和功率稳定的光信号；所述光子温度传感探头，用于将所述频率和功率稳定的光信号提供给所述光子温度传感探头以生成输出光信号；以及所述第一光电探测器，用于接收所述输出光信号，并将所述输出光信号转换为第一电信号以根据所述第一电信号获取温度值。2.根据权利要求1所述的光子温度传感系统，其特征在于，所述频率控制环包括第一分束器、波长计、数据采集卡、个人计算机，其中，所述第一分束器，用于将所述激光分成第一束光和第二束光；所述波长计，用于接收所述第二束光并且经由所述数据采集卡将所述第二束光的波长提供给所述个人计算机；以及所述个人计算机，用于根据所述第二束光的波长设置反馈频率以生成频率反馈信号，并经由所述数据采集卡将所述频率反馈信号提供给所述激光器，使得激光器输出频率稳定激光信号。3.根据权利要求2所述的光子温度传感系统，其特征在于，所述功率控制环包括：声光调制器、起偏器、第二分束器、第二光电探测器、伺服控制器、射频源和功率放大器，其中，所述声光调制器，用于接收所述功率反馈信号并根据所述功率反馈信号调制所述第一束光的功率，以输出功率稳定的第一束光；所述起偏器，用于使所述功率稳定的第一束光进行偏振；所述第二分束器，用于将偏振的第一束光划分为第三束光和第四束光；所述第二光电探测器，用于接收所述第四束光并将所述第四束光转换为第二电信号；所述伺服控制器，用于根据所述第二电信号生成数字控制信号；所述射频源，用于将所述数字控制信号调制为射频信号；以及所述功率放大器，用于放大所述射频信号以生成所述功率反馈信号。4.根据权利要求3所述的光子温度传感系统，其特征在于，还包括偏振控制器，设置在所述第二分束器和所述光子温度传感探头之间，用于控制所述第三束光的偏振方向以使尽可能多的第三束光通过所述光子温度传感探头。5.根据权利要求2所述的光子温度传感系统，其特征在于，所述光子温度传感探头包括：光学芯片和设置在所述光学芯片上的波导和环形谐振腔，其中，所述波导包括耦合输入端、输入部分、第一弯曲部分、直波导、第二弯曲部分、输出部分和耦合输出端，其中，所述输入部分，设置在所述耦合输入端和所述第一弯曲部分之间，其宽度从所述耦合输入端至所述第一弯曲部分逐渐变小，其中，所述耦合输入端的第一宽度大于所述第一弯曲部分的第二宽度；所述第一弯曲部分和所述第二弯曲部分，具有均匀的第二宽度；
所述直波导，设置在所述第一弯曲部分和所述第二弯曲部分之间，并且具有均匀的第二宽度；所述输出部分，设置在所述耦合输出端和所述第二弯曲部分之间，其宽度从所述耦合输出端至所述第二弯曲部分逐渐变小，其中，所述耦合输出端的第一宽度大于所述第二弯曲部分的第二宽度。6.根据权利要求5所述的光子温度传感系统，其特征在于，所述耦合输入端和所述耦合输出端设置为浅刻蚀光栅结构，其中，所述浅刻蚀光栅结构的方向与所述输入部分和所述输出部分的方向垂直。7.根据权利要求6所述的光子温度传感系统，其特征在于，其中，根据特定波长的光设置所述浅刻蚀光栅结构的刻蚀深度、占空比和周期。8.根据权利要求6所述的光子温度传感系统，其特征在于，其中，所述光子温度传感探头还包括传输结构，其中，所述传输结构包括输入光纤、输出光纤、v型槽基板和光纤盖板，所述输入光纤和所述输出光纤固定在所述v型槽基板的v型槽中并通过所述光纤盖板覆盖在所述v型槽基板、所述输入光纤和所述输出光纤上方。9.根据权利要求8所述的光子温度传感系统，其特征在于，其中，所述输入光纤和所述输出光纤与所述光学芯片的法线之间角度大于等于8
°
；以及所述输入光纤和所述输出光纤为单模保偏光纤。10.一种光子温度传感系统的测温方法，其特征在于，包括：通过激光器生成激光；通过频率控制环基于频率反馈信号对所述激光器进行频率控制以生成频率稳定激光信号；通过功率控制环基于功率反馈信号调制所述频率稳定激光信号的功率以生成频率和功率稳定的光信号；将所述频率和功率稳定的光信号提供给光子温度传感探头输出光信号；以及接收所述输出光信号，并将所述输出光信号转换为第一电信号以根据所述第一电信号获取温度值。

技术总结
本发明涉及一种光子温度传感系统及其测温方法，属于温度传感技术领域，解决了现有方法受到激光频率噪声、功率噪声和偏振的影响问题。系统包括激光器，用于生成激光；频率控制环，用于基于频率反馈信号对激光器进行频率控制以生成频率稳定激光信号；功率控制环，用于基于功率反馈信号调制频率稳定激光信号的功率以生成频率和功率稳定的光信号；光子温度传感探头，用于将频率和功率稳定的光信号提供给光子温度传感探头以生成输出光信号；以及第一光电探测器，用于接收输出光信号，并将输出光信号转换为第一电信号以根据第一电信号获取温度值。改善由于激光频率和功率噪声引起的系统误差。统误差。统误差。


技术研发人员：王瑾 高建新 张诚 潘奕捷 屈继峰
受保护的技术使用者：中国计量科学研究院
技术研发日：2022.06.06
技术公布日：2023/9/23