一种准分布式光纤布拉格光栅解调芯片及承载设备

摘要

本发明涉及一种准分布式光纤布拉格光栅解调芯片及承载设备，包括：来自宽谱光源的光经过环形器入射到准分布式光纤布拉格光栅传感器阵列，被反射回来的波长再次经过环形器入射到1×N阵列波导光栅中，每个FBGi反射的波长λi分别从阵列波导光栅的输出端i口出射，接着经过两个具有固定相位差π/2的马赫曾德干涉仪，最后由四个光电探测器对光功率进行测量，本发明独特设计的双MZI结构具有固定的相位差π/2，解调曲线也会有相应的移位，彼此弥补在非线性解调区域灵敏度低和精度低的问题，本发明可以解决MZI结构无法进行准分布式传感解调的问题以及有效弥补单个MZI在非线性区解调灵敏度低的问题。

权利要求

1.一种准分布式光纤布拉格光栅解调芯片，其特征在于，包括按光信号传播方向依次连接的宽谱光源、光学环形器、1×N通道的阵列波导光栅、N个双马赫曾德干涉仪结构和4N个Ge光电探测器，所述解调芯片还包括读出电路，所述Ge光电探测器的输出端连接读出电路，所述阵列波导光栅具有1个输入端和N个输出端，所述阵列波导光栅的N个输出端与所述N个双马赫曾德干涉仪结构的输入端相连，每个双马赫曾德干涉仪结构均包括4个输出端，且每个双马赫曾德干涉仪结构的各输出端分别与一个Ge光电探测器对应连接；来自宽谱光源的光经过光学环形器入射到N个准分布式光纤布拉格光栅FBG，经准分布式光纤布拉格光栅反射后变成N个不同波长的反射峰，所述N个不同波长的反射峰返回到光学环形器并入射到阵列波导光栅中后分别从阵列波导光栅的第i个输出端口出射，i为正整数，且1≤i≤N，每个准分布式光纤布拉格光栅的反射峰分别从对应的阵列波导光栅输出端输出，接着经过对应的双马赫曾德干涉仪结构，最后分别被四个Ge光电探测器接收，读出电路根据Ge光电探测器接收到的光功率值推算准分布式光纤布拉格光栅中心波长；

所述双马赫曾德干涉仪结构包括第一2×2多模干涉耦合器、第二2×2多模干涉耦合器、1×2多模干涉耦合器、第一马赫曾德干涉仪、第二马赫曾德干涉仪、第一2×2定向耦合器和第二2×2定向耦合器，其中，所述第一2×2多模干涉耦合器的其中一个输入端与所述阵列波导光栅的对应输出端相连，所述第一2×2多模干涉耦合器的其中一个输出端与所述第二2×2多模干涉耦合器的其中一个输入端相连，所述第一2×2多模干涉耦合器的另一个输出端与所述1×2多模干涉耦合器的输入端连接，所述第二2×2多模干涉耦合器的输出端经所述第一马赫曾德干涉仪与所述第一2×2定向耦合器的输入端连接，所述1×2多模干涉耦合器的输出端经所述第二马赫曾德干涉仪与所述第二2×2定向耦合器的输入端连接，所述第一2×2定向耦合器的两个输出端和所述第二2×2定向耦合器的两个输出端分别与4个Ge光电探测器对应连接。

2.根据权利要求1所述的准分布式光纤布拉格光栅解调芯片，其特征在于，所述阵列波导光栅输入端通过光栅耦合器和准分布式光纤布拉格光栅相连；所述阵列波导光栅输出端分别和对应的双马赫曾德干涉仪结构通过一个2×2多模干涉耦合器连接，所述阵列波导光栅的通道间隔与所述光纤布拉格光栅的波长解调动态范围有关。

3.根据权利要求1所述的准分布式光纤布拉格光栅解调芯片，其特征在于，所述第一2×2多模干涉耦合器的两个输出端输出的光信号功率相等，相位相差π/2，使得所述第一马赫曾德干涉仪与所述第二马赫曾德干涉仪的相位差被锁定为π/2。

4.根据权利要求1所述的准分布式光纤布拉格光栅解调芯片，其特征在于，所述第一2×2定向耦合器的耦合区长度和所述第二2×2定向耦合器的耦合区长度可调，使得所述第一马赫曾德干涉仪与所述第二马赫曾德干涉仪的消光比大小可调。

5.根据权利要求1所述的准分布式光纤布拉格光栅解调芯片，其特征在于，所述Ge光电探测器由硅波导上外延Ge材料制成，Ge光电探测器有三个金属电极加上反偏电压，所述三个金属电极为GSG结构，来自双马赫曾德干涉仪的光通过硅波导水平入射到Ge光电探测器，通过测得的电流反推入射光的光功率。

6.一种承载设备，其特征在于，包括承载体和权利要求1至5任一项所述的准分布式光纤布拉格光栅解调芯片，其中，所述解调芯片收容于所述承载体内。

7.根据权利要求6所述的承载设备，其特征在于，所述承载设备包括复合材料，所述承载体为所述复合材料的主体，所述解调芯片推算出来的准分布式光纤布拉格光栅中心波长信息包括所述主体的应变和温度信息，所述复合材料包括树脂基、陶瓷基和金属基复合材料中的至少一种；或，

所述承载设备包括医疗健康设备，所述承载体包括所述医疗健康设备的探头，所述解调芯片推算出来的准分布式光纤布拉格光栅中心波长信息包括所述医疗健康设备探头监测到的人体心率和/或体温信息。

8.根据权利要求6所述的承载设备，其特征在于，所述承载设备包括飞行器，所述承载体包括所述飞行器的机翼，所述解调芯片推算出来的准分布式光纤布拉格光栅中心波长信息包括所述机翼的三维形状、应变和温度信息。

9.根据权利要求8所述的承载设备，其特征在于，所述飞行器包括无人飞行器或者直升机。

说明书

一种准分布式光纤布拉格光栅解调芯片及承载设备

技术领域

[0001] 本发明涉及面向准分布式光纤光栅传感的光子集成解调芯片领域，尤其是一种准分布式布拉格光纤光栅解调芯片及承载设备。

背景技术

[0002] 光纤布拉格光栅(FBG)是利用反射光中心波长随着温度或应变而变化的原理来进行信号的传感；相比传统的电子传感器，基于FBG的光纤传感器具有轻巧、多通道复用、抗电
磁干扰和适用于极端环境的特点，被广泛用于航空航天、能源、结构健康检测和医疗智能诊
断等领域。光纤光栅传感的两大核心组成是传感器和解调系统，传感器的设计和制备已经
相对比较成熟，限制光纤光栅传感进一步广泛应用的主要问题是传感信号的解调。传统的
光纤布拉格光栅解调设备大部分都是通过分立元器件组装，解调原理包括可调谐法布里‑
珀罗腔、衍射光栅配合CCD探测、波长可调谐激光器扫描和光频域反射等，基于分立器件组
装的解调仪具有体积庞大、成本高、可靠性差和不易于集成的缺点。集成光子光纤光栅解调
仪具有解调速度快、灵敏度高、可靠性高和不受电磁干扰等优点；相比于传统的由众多分立
元件组成的解调仪，它可以集成光源、探测器和解调单元到几个毫米大小的芯片上来，大大
降低了解调仪的成本和体积。目前，结合III‑V族材料在有源器件（光源和探测器）方面优异
的性能和硅基材料在无源器件（波导、阵列波导光栅、微环等）制作上小尺寸、低损耗的特
点，利用III‑V/Si混合集成技术，结合外围的信号采集处理电路，将光纤布拉格光栅解调仪
的分立器件进行一个芯片级集成备受关注。目前基于集成光子解调的芯片方案主要有阵列
波导光栅（AWG）、马赫曾德干涉仪（MZI）和微环谐振腔（MRR）三种结构。现有基于硅光电子集
成的光纤光栅解调芯片，有用AWG结构的，利用AWG相邻通道之间的功率比来推算中心波长，
基于AWG结构的解调芯片对AWG器件本身的性能（通道均匀性，通道间的串扰等）要求很高，
因为硅光平台的工艺容差并不高，导致制作出性能优良的AWG并不容易，因此在硅光平台目
前较难实现产品级的应用；现有基于硅光电子集成的光纤光栅解调芯片也有用马赫曾德干
涉仪结构的，单个马赫曾德干涉结构本身的性能可以做的相当不错，但是它们只能针对单
个光纤光栅进行解调，简单的串联或者并联并不能满足准分布式光纤光栅传感的需求。因
此，研究基于硅光材料马赫曾德干涉结构的准分布式光纤光栅传感芯片近年来备受关注。

发明内容

[0003] 为了解决硅光平台基于单个马赫曾德干涉结构的解调芯片线性范围不足以及无法满足准分布式光纤光栅传感需求的问题，本发明提供一种基于级联阵列波导光栅（AWG）
和双马赫曾德干涉仪（double‑MZI）结构的准分布式光纤光栅解调芯片，双MZI结构可以弥
补解调线性范围不足的问题，级联AWG和MZI的结构可以同时对多个光纤布拉格光栅传感器
进行解调，满足准分布式光纤光栅传感的需求。

[0004] 本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

[0005] 本发明实施例的第一方面，提供一种准分布式光纤布拉格光栅解调芯片，包括按光信号传播方向依次连接的宽谱光源、光学环形器、1×N通道的阵列波导光栅、N个双马赫
曾德干涉仪结构和4N个Ge光电探测器，所述解调芯片还包括读出电路，所述Ge光电探测器
的输出端连接读出电路，所述阵列波导光栅具有1个输入端和N个输出端，所述阵列波导光
栅的N个输出端与所述N个双马赫曾德干涉仪结构的输入端相连，每个双马赫曾德干涉仪结
构均包括4个输出端，且每个双马赫曾德干涉仪结构的各输出端分别与一个Ge光电探测器
对应连接；来自宽谱光源的光经过光学环形器入射到N个准分布式光纤布拉格光栅FBG，经
准分布式光纤布拉格光栅反射后变成N个不同波长的反射峰，所述N个不同波长的反射峰返
回到光学环形器并入射到阵列波导光栅中后分别从阵列波导光栅的第i个输出端口出射，i
为正整数，且1≤i≤N，每个准分布式光纤布拉格光栅的反射峰分别从对应的阵列波导光栅
输出端输出，接着经过对应的双马赫曾德干涉仪结构，最后分别被四个Ge光电探测器接收，
读出电路根据Ge光电探测器接收到的光功率值推算准分布式光纤布拉格光栅中心波长。

[0006] 在一些实施例中，所述阵列波导光栅输入端通过光栅耦合器和准分布式光纤布拉格光栅相连；所述阵列波导光栅输出端分别和对应的双马赫曾德干涉仪结构通过一个2×2
多模干涉耦合器连接，所述阵列波导光栅的通道间隔与所述光纤布拉格光栅的波长解调动
态范围有关。

[0007] 在一些实施例中，所述双马赫曾德干涉仪结构包括第一2×2多模干涉耦合器、第二2×2多模干涉耦合器、1×2多模干涉耦合器、第一马赫曾德干涉仪、第二马赫曾德干涉
仪、第一2×2定向耦合器和第二2×2定向耦合器，其中，所述第一2×2多模干涉耦合器的其
中一个输入端与所述阵列波导光栅的对应输出端相连，所述第一2×2多模干涉耦合器的其
中一个输出端与所述第二2×2多模干涉耦合器的其中一个输入端相连，所述第一2×2多模
干涉耦合器的另一个输出端与所述1×2多模干涉耦合器的输入端连接，所述第二2×2多模
干涉耦合器的输出端经所述第一马赫曾德干涉仪与所述第一2×2定向耦合器的输入端连
接，所述1×2多模干涉耦合器的输出端经所述第二马赫曾德干涉仪与所述第二2×2定向耦
合器的输入端连接，所述第一2×2定向耦合器的两个输出端和所述第二2×2定向耦合器的
两个输出端分别与4个Ge光电探测器对应连接。

[0008] 在一些实施例中，所述第一2×2多模干涉耦合器的两个输出端输出的光信号功率相等，相位相差π/2，使得所述第一马赫曾德干涉仪与所述第二马赫曾德干涉仪的相位差被
锁定为π/2。

[0009] 在一些实施例中，所述第一2×2定向耦合器的耦合区长度和所述第二2×2定向耦合器的耦合区长度可调，使得所述第一马赫曾德干涉仪与所述第二马赫曾德干涉仪的消光
比大小可调。

[0010] 在一些实施例中，所述Ge光电探测器由硅波导上外延Ge材料制成，Ge光电探测器有三个金属电极加上反偏电压，所述三个金属电极为GSG（Ground‑Sigal‑Ground）结构，来
自双马赫曾德干涉仪结构的光通过硅波导水平入射到Ge光电探测器，通过测得的电流反推
入射光的光功率。

[0011] 本发明实施例的第二方面，提供一种承载设备，包括承载体和第一方面任一项所述的准分布式光纤布拉格光栅解调芯片，其中，所述解调芯片收容于所述承载体内。

[0012] 在一些实施例中，所述承载设备包括复合材料，所述承载体为所述复合材料的主体，所述解调芯片推算出来的准分布式光纤布拉格光栅中心波长信息包括所述主体的应变
和温度信息，所述复合材料包括树脂基、陶瓷基和金属基复合材料中的至少一种；或，

[0013] 所述承载设备包括医疗健康设备，所述承载体包括所述医疗健康设备的探头，所述解调芯片推算出来的准分布式光纤布拉格光栅中心波长信息包括所述医疗健康设备探
头监测到的人体心率和/或体温信息。

[0014] 在一些实施例中，所述承载设备包括飞行器，所述承载体包括所述飞行器的机翼，所述解调芯片推算出来的准分布式光纤布拉格光栅中心波长信息包括所述机翼的三维形
状、应变和温度信息。

[0015] 在一些实施例中，所述飞行器包括无人飞行器或者直升机。

[0016] 本发明的有益效果主要表现在：基于级联阵列波导光栅和双马赫曾德干涉仪结构的解调芯片可以实现准分布式的光纤布拉格光栅传感，光纤布拉格光栅的数量和波长变化
范围可以通过分别改变阵列波导光栅通道数和马赫曾德干涉仪结构的自由光谱范围来灵
活设计；并且，利用固有相位差π/2的双马赫曾德干涉仪结构可以实现全波长范围的高灵敏
度线性解调；该解调芯片除了集成的宽带光源以后都在硅光平台中实现，可以大大降低器
件的尺寸和成本。

附图说明

[0017] 图1为本发明的基于级联阵列波导光栅和双马赫曾德干涉仪结构的准分布式光纤光栅解调芯片系统框图。

[0018] 图2为本发明的1×N通道的阵列波导光栅结构示意图。

[0019] 图3为本发明的双MZI结构波长解调单元示意图。

[0020] 图4为本发明的光纤布拉格光栅反射信号的传输曲线。

[0021] 图5为本发明的双MZI结构波长解调单元四个输出通道的传输曲线。

[0022] 图6为本发明的双MZI结构波长解调单元的解调曲线。

[0023] 图7为本发明的双MZI结构解调曲线线性区放大后的示意图。

[0024] 图8为本发明的双MZI结构波长解调单元在大波长范围内的解调曲线。

[0025] 图9为本发明的级联阵列波导光栅和单个马赫曾德干涉仪的单通道传输曲线。

[0026] 图10为本发明的级联阵列波导光栅和双马赫曾德干涉仪的单通道传输曲线。

[0027] 图11为本发明的级联阵列波导光栅和双马赫曾德干涉仪的解调曲线。

[0028] 附图标记：

[0029] 1‑宽谱光源（ASE或者SLD），2‑阵列波导光栅，3‑双马赫曾德干涉仪结构，4‑光学环形器，5‑信号读出电路，6‑Ge光电探测器，20‑AWG输入通道，21‑AWG的输入平板波导，22‑AWG
的输出平板波导，23‑AWG的阵列波导区域，24、25、26、27、28‑AWG输出通道，30、31‑2×2多模
干涉耦合器，32‑1×2多模干涉耦合器，33、34‑马赫曾德干涉仪，35、36‑2×2定向耦合器，
301、302、303、304、305、306‑光栅耦合器，307‑双MZI结构和AWG的连接点。

具体实施方式

[0030] 这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例
中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附
权利要求书中所详述、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

[0031] 在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”、“该”也旨在包括多数
形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包
含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

[0032] 应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离
本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第
一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在...时”或“当...时”
或“响应于确定”。

[0033] 需要说明的是，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

[0034] 下面结合附图对本发明做进一步描述。

[0035] 如图1所示，一种基于级联阵列波导光栅（AWG）和双马赫曾德干涉仪结构（double‑MZI，下文中，双马赫曾德干涉仪结构也可称作为双MZI结构）结构的准分布式光纤光栅解调
芯片，该解调芯片在硅光材料平台设计制作，包括按光信号传播方向依次连接的宽谱光源
1、光学环形器4、1×N通道的阵列波导光栅2、N个双MZI结构3和4N个Ge光电探测器6，所述准
分布式光纤布拉格光栅解调芯片还包括读出电路5，所述Ge光电探测器6的输出端连接读出
电路5；来自宽谱光源1的光经过光学环形器4入射到N个准分布式光纤布拉格光栅（FBG），经
光纤布拉格光栅反射后变成N个不同波长的反射峰，这N个不同波长的反射峰返回到光学环
形器4并入射到阵列波导光栅2中后分别从阵列波导光栅的第i个（i=1，2，3...N）输出端口
出射，每个光纤布拉格光栅反射峰分别从对应的阵列波导光栅输出端输出，接着经过对应
的双马赫曾德干涉仪3结构，最后分别被四个Ge光电探测器6接收，读出电路5根据Ge光电探
测器接收到的光功率值推算光纤布拉格光栅中心波长。

[0036] 本发明实施例中的基于级联阵列波导光栅和双马赫曾德干涉仪结构的解调芯片可以实现准分布式的光纤布拉格光栅传感，光纤布拉格光栅的数量和波长变化范围可以通
过分别改变阵列波导光栅通道数和马赫曾德干涉仪结构的自由光谱范围来灵活设计；并
且，利用固有相位差π/2的双马赫曾德干涉仪结构可以实现全波长范围的高灵敏度线性解
调；该解调芯片除了集成的宽带光源剩下的器件都可以在硅光平台中实现，大大降低器件
的尺寸和成本。

[0037] 如图2所示，本发明实施例中提供的一种1×N通道的阵列波导光栅结构示意图。阵列波导光栅2由输入端20、输入平板波导21、阵列波导区域23、输出平板波导22和多个输出
端24、25、26、27、28构成，阵列波导光栅2输入端20通过光栅耦合器和光学环形器4相连；阵
列波导光栅2的各输出端与对应的双MZI结构3通过一个2×2多模干涉耦合器30连接，输出
端的个数和光纤光栅传感器的个数相对应，阵列波导光栅的通道间隔和光纤光栅传感器的
波长动态范围相关。

[0038] 本发明实施例中，所述双马赫曾德干涉仪结构包括第一2×2多模干涉耦合器（即图3中的30）、第二2×2多模干涉耦合器（即图3中的31）、1×2多模干涉耦合器（即图3中的
32）、第一马赫曾德干涉仪（即图3中的33）、第二马赫曾德干涉仪（即图3中的34）、第一2×2
定向耦合器（即图3中的35）和第二2×2定向耦合器（即图3中的36），其中，所述第一2×2多
模干涉耦合器的其中一个输入端与所述阵列波导光栅的对应输出端相连，所述第一2×2多
模干涉耦合器的其中一个输出端与所述第二2×2多模干涉耦合器的其中一个输入端相连，
所述第一2×2多模干涉耦合器的另一个输出端与所述1×2多模干涉耦合器的输入端连接，
所述第二2×2多模干涉耦合器的输出端经所述第一马赫曾德干涉仪与所述第一2×2定向
耦合器的输入端连接，所述1×2多模干涉耦合器的输出端经所述第二马赫曾德干涉仪与所
述第二2×2定向耦合器的输入端连接，所述第一2×2定向耦合器的两个输出端和所述第二
2×2定向耦合器的两个输出端分别与4个Ge光电探测器对应连接。所述第一2×2多模干涉
耦合器的两个输出端输出的光信号功率相等，相位相差π/2，使得所述第一马赫曾德干涉仪
与所述第二马赫曾德干涉仪的相位差被锁定为π/2。所述第一2×2定向耦合器的耦合区长
度和所述第二2×2定向耦合器的耦合区长度可调，使得所述第一马赫曾德干涉仪与所述第
二马赫曾德干涉仪的消光比大小可调。

[0039] 如图3所示，双MZI结构3主要由2×2多模干涉耦合器30、2×2多模干涉耦合器31、1×2多模干涉耦合器32、马赫曾德干涉仪33、34和2×2定向耦合器35、36构成。来自阵列波导
光栅2输出端的光通过双MZI结构和AWG的连接点307进入双MZI结构解调单元。2×2多模干
涉耦合器30是一个普通型的3dB多模干涉耦合器，根据自成像原理（self‑imaging 
effect），输入端的光信号在输出端被分成功率相等，相位相差π/2的两路光信号，其中一路
信号入射到2×2多模干涉耦合器31，另外一路信号入射到1×2多模干涉耦合器32。因为2×
2多模干涉耦合器31的两输出端口的相位差π/2，1×2多模干涉耦合器32的两输出端口的相
位相等，所以马赫曾德干涉仪33和马赫曾德干涉仪34本身的相位差就锁定为π/2。马赫曾德
干涉仪的消光比主要由输入端的分光比、输出端的分光比和臂上的损耗决定，马赫曾德干
涉仪采用2×2定向耦合器35、36结构作为输出端的原因是通过改变35、36耦合区的长度可
以任意调节定向耦合器的分光比，进而改变马赫曾德干涉仪的消光比。本发明的解调芯片
希望双MZI结构的消光比不能太大也不能太小，消光比太大的话对后面读出电路的要求会
很高，消光比太小的话解调的灵敏度就会很低，所以需要根据电路处理能力和灵敏度需求
来综合考虑。马赫曾德干涉仪的自由光谱范围由波长和两个臂的光学长度差有关，由FBG测
量的动态范围来决定，FBG反射信号的传输曲线如图4所示。双MZI结构3出射的光探测可以
用InGaAs材料探测器探测，这个时候需要用混合集成的方式通过光栅耦合器301、302、303、
304、305、306进行垂直的光耦合，也可以用波导和Ge光电探测器进行水平方向的光耦合。

[0040] 如图5所示，本发明的双MZI结构波长解调单元四个输出通道的传输曲线。细实线和细虚线分别代表马赫曾德干涉仪33两个输出端口的传输曲线，马赫曾德干涉仪33的两个
输出端口分别经过光栅耦合器301和光栅耦合器302垂直耦合被两个Ge光电探测器接收，这
两个探测器探测到的光功率的比值和光纤布拉格光栅的中心波长值有个对应关系，根据光
功率比值大小就可以反推中心波长的大小；粗实线和粗虚线分别代表马赫曾德干涉仪34两
个输出端口的传输曲线，马赫曾德干涉仪34的两个输出端口分别经过光栅耦合器303和光
栅耦合器304垂直耦合被两个Ge光电探测器接收，这两个探测器探测到的光功率的比值和
光纤布拉格光栅的中心波长值也有个对应关系，根据光功率比值大小就可以反推中心波长
的大小。由于两个马赫曾德干涉仪的结构设计完全相同，所以他们的消光比和自由光谱范
围也完全相同，唯一的区别就是由于固有的π/2相位差异导致传输曲线平移了四分之一的
自由光谱范围。

[0041] 如图6所示，本发明的双MZI结构波长解调单元的解调曲线（相邻通道功率比vs波长）。黑实线表示的是第一个MZI相邻通道功率比和波长之间的关系，黑虚线表示的是另一
个MZI相邻通道功率比和波长之间的关系。从图中可以看出，MZI解调曲线的周期和自由光
谱范围的大小一致，两个MZI的解调曲线形状基本一致，相对平移了四分之一个周期；解调
曲线的斜率代表了解调的灵敏度，如果想要灵敏度高就需要斜率大的，但这会牺牲自由光
谱范围。将图6中的解调曲线线性区进行放大显示并进行线性拟合，如图7所示；将图6中的
解调曲线在全波长范围进行一个扩张，如图8所示，可以发现在全波长范围解调曲线的一致
性非常好。

[0042] 如图9所示，本发明的级联阵列波导光栅和单个马赫曾德干涉仪的单通道传输曲线。黑实线和黑虚线分别代表这个阵列波导光栅和马赫曾德干涉仪级联结构的两个输出端
口的传输曲线，也可以理解为两个器件单独的传输曲线的一个叠加。如图10所示，为本发明
的级联阵列波导光栅和双马赫曾德干涉仪的单通道传输曲线，代表了阵列波导光栅一个输
出通道的情况，同时也代表了对一个FBG传感器解调的情况，四条曲线分别代表了阵列波导
光栅和双马赫曾德干涉仪级联结构的四个输出端口的传输曲线。如图11所示，为本发明的
级联阵列波导光栅和双马赫曾德干涉仪的解调曲线。黑实线和黑虚线分别代表两个MZI相
邻通道功率比和波长之间的关系。

[0043] 本发明是基于先进的集成光子技术，整个芯片的尺寸非常小，在10毫米（mm）×10毫米（mm）大小；另外，一个晶圆片上可以同时加工多个解调芯片，所以相对来说成本会比较
低。本发明一种准分布式光纤布拉格光栅解调芯片可以应用到多种应用场景，比如航空航
天领域复合材料的结构健康监测、飞机和无人机机翼的应变/三维形状的检测以及医疗健
康领域人体温度的监测。比如目前航空航天领域卫星、火箭、航天飞机等设备的舰体材料多
数用了复合材料，将准分布式光纤布拉格光栅埋入到复合材料中，可以对这些复合材料进
行实时的材料损伤监测；比如在飞行器领域，将准分布式光纤布拉格光栅安装在机翼或者
旋翼的表面，可以对机翼或者旋翼在运行过程中受到的应变和三维形状进行监测；比如在
医疗健康领域，将准分布式光纤布拉格光栅集成到病人的衣服里或者医疗设备里，可以对
人体的各项生理指标（心率、体温等）进行实时监测。

[0044] 如图1所述的基于级联阵列波导光栅和双马赫曾德干涉仪结构的解调芯片可以除了在硅（Si）材料平台实现以外，还可以在氮化硅（Si3N4）或者磷化铟（InP）等平台实现。硅
（Si）材料平台的优势是尺寸可以做的很小，可以集成光电探测器，光损耗适中，但是缺点是
不能集成光源、温度敏感；氮化硅（Si3N4）材料平台的优势是波导损耗可以做到非常低，尺
寸适中，但是缺点是不便集成光源和光电探测器；磷化铟（InP）材料平台的优势是可以和光
源、光电探测器单片集成，但是成本昂贵、尺寸较大。

[0045] 值得一提的是，本发明实施例还提供一种承载设备，该承载设备可包括承载体和上述实施例中的准分布式光纤布拉格光栅解调芯片，其中，所述准分布式光纤布拉格光栅
解调芯片收容于所述承载体内。

[0046] 示例性的，在一些实施例中，所述承载设备包括复合材料，所述承载体为所述复合材料的主体，所述解调芯片推算出来的光纤布拉格光栅中心波长信息包括所述主体的应变
和温度信息。该复合材料包括树脂基、陶瓷基和金属基复合材料中的至少一种。示例性的，
复合材料为树脂基，或者合材料为陶瓷基，或者合材料为金属基复合材料。比如目前航空航
天领域卫星、火箭、航天飞机等设备的舰体材料多数用了复合材料，将准分布式光纤布拉格
光栅埋入到复合材料中，可以对这些复合材料进行实时的材料损伤监测。

[0047] 在一些实施例中，所述承载设备包括飞行器，所述承载体包括所述飞行器的机翼，所述解调芯片推算出来的光纤布拉格光栅中心波长信息包括所述机翼的三维形状、应变和
温度信息。比如在飞行器领域，将准分布式光纤布拉格光栅安装在机翼或者旋翼的表面，可
以对机翼或者旋翼在运行过程中受到的应变和三维形状进行监测。

[0048] 在一些实施例中，所述承载设备包括医疗健康设备，所述承载体包括所述医疗健康设备的探头，所述解调芯片推算出来的光纤布拉格光栅中心波长信息包括所述医疗健康
设备探头监测到的人体心率和/或体温信息。比如在医疗健康领域，将准分布式光纤布拉格
光栅集成到病人的衣服里或者医疗设备里，可以对人体的各项生理指标（心率、体温等）进
行实时监测。

[0049] 以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。