本技術(shù)是申請(qǐng)日為2022年5月25日、申請(qǐng)?zhí)枮?02210576611.5、發(fā)明名稱為“一種分時(shí)校準(zhǔn)頻漂的激光測(cè)振光學(xué)集成芯片及方法”的專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。本發(fā)明涉及光電通信，特別是一種基于激光光學(xué)集成芯片的測(cè)振方法。

背景技術(shù)：

1、振動(dòng)特性分析是鑒別可靠性的重要手段，而對(duì)于不同的監(jiān)測(cè)目的應(yīng)利用不同的傳感技術(shù)。最常用的振動(dòng)傳感器是加速度傳感器，它的成本低、可靠性高，但是屬于接觸測(cè)量，必須附著在待測(cè)物體的表面，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)需一個(gè)加速度傳感器，而且只有進(jìn)行精確標(biāo)定才能進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量。此外，加速度傳感器的標(biāo)定還易受環(huán)境溫度變化的影響，不可避免的機(jī)械共振限制了測(cè)量帶寬。微聲器或其它聲傳感元件雖屬非接觸測(cè)量，但仍不能消除機(jī)械共振對(duì)帶寬的影響，而且環(huán)境噪聲或非監(jiān)測(cè)部分發(fā)射的噪聲有可能湮沒(méi)有用的信號(hào)。隨著激光和光纖技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)在有可能設(shè)計(jì)出一種新型的閉合光路激光多普勒振動(dòng)傳感器，以克服有振動(dòng)傳感器的固有缺點(diǎn)，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，其中包括地震孕育階段的基巖微破裂探測(cè)，這種極其微小的振動(dòng)是難以探測(cè)的。

2、激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)將激光光束照射在粗糙目標(biāo)表面，通過(guò)檢測(cè)回波光束與本振光束之間的相位差異來(lái)分析目標(biāo)振動(dòng)所產(chǎn)生的多普勒頻率調(diào)制信息，從而獲得目標(biāo)振動(dòng)的位移、速度等物理量。這種傳感器是一種非接觸測(cè)量?jī)x器，因?yàn)闆](méi)有質(zhì)量耦合，傳感器對(duì)物體的振動(dòng)特性沒(méi)有影響。此外，這種傳感器沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分，消除了限制測(cè)量帶寬的固有共振。

3、專利申請(qǐng)?zhí)?01911284902.1采用片上延遲干涉儀和混頻接收方法對(duì)激光器波長(zhǎng)漂移進(jìn)行補(bǔ)償，但該專利未闡述芯片內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)方式，且延遲干涉儀通過(guò)波導(dǎo)與片外激光連接，集成度不高，片外需要對(duì)延遲干涉儀進(jìn)行光路耦合，增加了系統(tǒng)集成工藝步驟并且體積依舊會(huì)較大。

4、此外，片上延遲干涉儀需要經(jīng)過(guò)激光器分束，即該方法等價(jià)的提高了激光器所需要的總功耗，同時(shí)也提高了“相干檢測(cè)光路”部分的相對(duì)強(qiáng)度噪聲。

5、現(xiàn)有的激光多普勒振動(dòng)檢測(cè)設(shè)備普遍以自由空間光路或光纖光路傳輸為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，均采用分立光學(xué)晶體器件或光纖光學(xué)器件搭建邁克爾遜干涉儀或馬赫曾德干涉儀結(jié)構(gòu)，體積龐大，成本較高，并且通常為了達(dá)到高靈敏度和精確度需要采用窄線寬的激光器提高系統(tǒng)相干長(zhǎng)度，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的成本。

6、此外目前的激光多普勒測(cè)振設(shè)備在長(zhǎng)期工作過(guò)程中，激光器的工作波長(zhǎng)會(huì)隨時(shí)間產(chǎn)生漂移，影響了系統(tǒng)的精確度。

7、為解決當(dāng)前高精度的激光多普勒測(cè)振設(shè)備體積龐大、成本高的問(wèn)題，本發(fā)明激光器輸出的光通過(guò)片上分束器進(jìn)行直接分束，集成度更高，無(wú)需光纖等其它額外器件更利于封裝，利于整個(gè)系統(tǒng)的體積小型化；可通過(guò)對(duì)激光器頻漂做“時(shí)分復(fù)用”，無(wú)需額外分束進(jìn)行頻漂計(jì)算和補(bǔ)償，有利于降低系統(tǒng)功耗；無(wú)需額外混頻器或干涉光路等進(jìn)行激光器頻漂補(bǔ)償，進(jìn)一步降低芯片尺寸，從而達(dá)到功耗低、體積小、集成度高、成本更低，同時(shí)實(shí)現(xiàn)激光器的頻漂分時(shí)校準(zhǔn)的技術(shù)效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述問(wèn)題，提供一種分時(shí)校準(zhǔn)頻漂的激光測(cè)振光學(xué)集成芯片，包括激光器、集成光學(xué)芯片、數(shù)據(jù)處理模塊、激光器驅(qū)動(dòng)和發(fā)射透鏡；所述集成光學(xué)芯片包括耦合器一、分束器一、相移器一、混頻器、馬赫曾德?tīng)柦Y(jié)構(gòu)、合束器二、合束器一和耦合器二。通過(guò)片上分束器進(jìn)行直接分束，集成度更高，無(wú)需光纖等其它額外器件更利于封裝，利于整個(gè)系統(tǒng)的體積小型化；可通過(guò)對(duì)激光器頻漂做“時(shí)分復(fù)用”，無(wú)需額外分束進(jìn)行頻漂計(jì)算和補(bǔ)償，有利于降低系統(tǒng)功耗；無(wú)需額外混頻器或干涉光路等進(jìn)行激光器頻漂補(bǔ)償，進(jìn)一步降低芯片尺寸，從而達(dá)到功耗低、體積小、集成度高，同時(shí)實(shí)現(xiàn)激光器的頻漂分時(shí)校準(zhǔn)的技術(shù)效果。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是。

3、一種分時(shí)校準(zhǔn)頻漂的激光測(cè)振光學(xué)集成芯片，其特征在于：包括激光器、集成光學(xué)芯片、數(shù)據(jù)處理模塊、激光器驅(qū)動(dòng)和發(fā)射透鏡；所述集成光學(xué)芯片包括耦合器一、分束器一、相移器一、混頻器、馬赫曾德?tīng)柦Y(jié)構(gòu)、合束器二、合束器一和耦合器二；所述激光器輸出的激光依次進(jìn)入集成光學(xué)芯片、發(fā)射透鏡后聚焦至振動(dòng)物體表面，經(jīng)振動(dòng)物體表面反射回來(lái)的振動(dòng)信號(hào)光束由集成光學(xué)芯片接收并處理后，由數(shù)據(jù)處理模塊解調(diào)獲取振動(dòng)信號(hào)；當(dāng)激光測(cè)振系統(tǒng)經(jīng)持續(xù)工作或惡劣環(huán)境影響而發(fā)生頻率漂移時(shí)，通過(guò)所述馬赫曾德?tīng)柦Y(jié)構(gòu)與第一參考光進(jìn)行波長(zhǎng)漂移校準(zhǔn)，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊處理后調(diào)節(jié)激光驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)所述激光器中心頻率的維穩(wěn)。

4、優(yōu)選的，所述激光器、發(fā)射透鏡分別通過(guò)光纖或自由空間耦合與耦合器一、耦合器二相連。

5、優(yōu)選的，所述馬赫曾德?tīng)柦Y(jié)構(gòu)包括分束器二、相移器二、分束器三。

6、優(yōu)選的，所述分束器二的輸入端與相移器一的輸出端通過(guò)波導(dǎo)相連，所述激光經(jīng)分束器二分束為第二參考光和第二信號(hào)光；所述第二參考光通過(guò)波導(dǎo)直接與分束器三相連；所述第二信號(hào)光通過(guò)波導(dǎo)依次與相移器二和分束器三相連。

7、優(yōu)選的，所述激光器輸出的激光經(jīng)過(guò)耦合器一耦合至芯片內(nèi)，經(jīng)分束器一分束后形成第一參考光和第一信號(hào)光，所述第一參考光通過(guò)波導(dǎo)直接輸出至混頻器的一個(gè)輸入端；所述第一信號(hào)光經(jīng)相移器一后進(jìn)入馬赫曾德?tīng)柦Y(jié)構(gòu)，經(jīng)馬赫曾德?tīng)柦Y(jié)構(gòu)內(nèi)部的分束器三分束后，通過(guò)所述分束器三的一個(gè)輸出端直接輸出至合束器二，并最終輸出至混頻器的另一輸入端。

8、優(yōu)選的，所述分束器三的另一輸出端依次與合束器一、耦合器二和發(fā)射透鏡相連，最終經(jīng)發(fā)射透鏡輸出至振動(dòng)物體表面，經(jīng)振動(dòng)物體表面反射回來(lái)的振動(dòng)信號(hào)光束通過(guò)耦合器二耦合至芯片內(nèi)部，經(jīng)合束器一和合束器二后輸出至混頻器的另一輸入端，并與所述第一參考光混頻輸出至數(shù)據(jù)處理模塊，由所述數(shù)據(jù)處理模塊解調(diào)獲取振動(dòng)信號(hào)。

9、優(yōu)選的，所述分束器三輸出的信號(hào)光經(jīng)合束器一后全部到達(dá)耦合器二；此時(shí)，所述信號(hào)光不能通過(guò)合束器一輸出至合束器二。

10、優(yōu)選的，所述相移器一、相移器二采用可調(diào)諧相移器。

11、優(yōu)選的，所述相移器一、相移器二采用熱調(diào)諧相移器。

12、優(yōu)選的，所述相移器一采用延時(shí)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

13、優(yōu)選的，一種分時(shí)校準(zhǔn)頻漂的激光測(cè)振方法，其特征在于包括以下步驟：

14、s1：相移器一長(zhǎng)度為l，所述相移器一的作用是使得第一參考光到達(dá)混頻器時(shí)和第一信號(hào)光經(jīng)過(guò)分束器三、分束器二后直接到達(dá)混頻器時(shí)，兩路光之間的相位差為：，其中k=0,1,2……；

15、假設(shè)激光器中心頻率為 f0，則有：

16、；

17、其中 n為波導(dǎo)的等效折射率， c為真空中光速。

18、s2：激光測(cè)振系統(tǒng)在剛開(kāi)始進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量或外界環(huán)境穩(wěn)定適宜的條件下工作時(shí)，對(duì)相移器二進(jìn)行相移調(diào)諧，同時(shí)第二信號(hào)光與第二參考光之間的相位差滿足：

19、或，其中m=0,1,2……；

20、此時(shí)分束器二、相移器二、分束器三及所述器件之間的連接波導(dǎo)一起構(gòu)成馬赫增德?tīng)柛缮鎯x結(jié)構(gòu)，并滿足干涉相長(zhǎng)（或相消）條件，此時(shí)分束器三輸出的光將全部到達(dá)合束器一處，并經(jīng)過(guò)耦合器二耦合輸出進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量。

21、s3：所述激光器的中心波長(zhǎng)因持續(xù)工作或外界惡劣環(huán)境發(fā)生漂移，此時(shí)對(duì)相移器二進(jìn)行相移調(diào)諧，同時(shí)第二信號(hào)光與第二參考光之間的相位差滿足：

22、或，其中m=0,1,2……；

23、此時(shí)分束器二、相移器二、分束器三及所述器件之間的連接波導(dǎo)一起構(gòu)成馬爾增德?tīng)柛缮鎯x結(jié)構(gòu)，并滿足干涉相消（或相長(zhǎng)）條件，分束器三輸出的光將全部通過(guò)合束器二輸入至混頻器，同時(shí)與第一參考光進(jìn)行波長(zhǎng)漂移計(jì)算校準(zhǔn)。

24、s4：假設(shè)中心頻率漂移為 δ，通常情況下 δ是一個(gè)極小值；所述混頻器中輸出的i路和q路信號(hào)的相位差中將偏離原來(lái)相位差，偏移相位為：

25、

26、根據(jù)混頻器解調(diào)原理，輸出iq兩路信號(hào)差為：

27、

28、所以可以得到激光器中心頻率漂移量與混頻器輸出之間的關(guān)系：

29、

30、混頻器二輸出兩路信號(hào)分別為：

31、

32、所以有：

33、

34、根據(jù)上式從混頻器輸出的結(jié)果中求得激光器的中心頻率漂移 δ，后處理模塊根據(jù)求得的結(jié)果來(lái)調(diào)節(jié)激光器驅(qū)動(dòng)的電流或激光器內(nèi)部溫控方式，從而實(shí)現(xiàn)激光器中心頻率維穩(wěn)。

35、優(yōu)選的，一種基于激光光學(xué)集成芯片的測(cè)振方法，其特征在于包括以下步驟。

36、s1：假設(shè)測(cè)量物體的振動(dòng)位移為s( t)，則它引起的相位變化量為：

37、

38、其中，λ為激光波長(zhǎng)。

39、s2：所述混頻器中四個(gè)端口輸出的光功率可以表示為：

40、

41、其中，?為相移器二的調(diào)相信號(hào)，其調(diào)制頻率通常遠(yuǎn)大于振動(dòng)頻率。

42、s3：將混頻器中四個(gè)端口信號(hào)兩兩相減分別得到iq兩路信號(hào)，再將相減信號(hào)相除，再做反正切運(yùn)算可解調(diào)出相位信息：

43、

44、通過(guò)濾波、小波分解等手段可分離出，再通過(guò)換算公式可還原出物體的振動(dòng)位移為s( t)。

45、由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下有益效果。

46、1.本發(fā)明通過(guò)片上分束器進(jìn)行直接分束，集成度更高，無(wú)需光纖等其它額外器件更利于封裝，達(dá)到整個(gè)激光測(cè)振系統(tǒng)小型化的技術(shù)效果。

47、2.本發(fā)明通過(guò)對(duì)激光器頻漂做“時(shí)分復(fù)用”，無(wú)需額外分束進(jìn)行頻漂計(jì)算和補(bǔ)償，達(dá)到降低系統(tǒng)功耗得技術(shù)效果。

48、3.?本發(fā)明無(wú)需額外混頻器或干涉光路等進(jìn)行激光器頻漂補(bǔ)償，進(jìn)一步降低芯片尺寸，從而達(dá)到功耗低、體積小、集成度高、成本更低，同時(shí)實(shí)現(xiàn)激光器的頻漂分時(shí)校準(zhǔn)的技術(shù)效果。