内容简介
大多数可穿戴传感器的开发都是基于电学传感器。这些电学传感器通过测量电阻、电流和电压等电学能的变化获知外部信号，它们普遍都对电磁干扰很敏感。光纤布拉格（Bragg）光栅是一种重要的光学器件，它在光纤光栅传感应用中取得了巨大的。由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、尺小、重量轻、耐温好、复用能力强、灵敏度高等优点，早已地应用在航空、航天、化工、电力、船舶、煤矿、土木工程等各个领域，国些年来我们shou先将其应用于体温、心音、脉搏、血压等可穿戴人体生命体征的测量中。全书共分为9章，由浅入深具体介绍了可穿戴光纤光栅人体温度和心动传感、光纤光栅解调光子集成、光波导耦合器、光栅耦合器、阵列波导光栅、光电探测器以及光子集成芯片解调等，全书具备从光纤光栅传感解调原理到光子器件、光子集成芯片的系统知识。;
目录
前言;
第1章 绪论 pan class="Apple-converted-space">;
1.1 引言 pan class="Apple-converted-space">;
1.2 光纤光栅发展概况 pan class="Apple-converted-space">;
1.3 光纤光栅耦合模理论 4;
1.4 光纤光栅传感基本原理 5;
1.5 光纤光栅增敏与封装 6;
1.6 光纤Bragg光栅解调方法 8;
1.6.1 匹配FBG可调滤波解调法 8;
1.6.2 可调谐光纤F-P滤波器解调法 9;
1.6.3 衡M-Z干涉仪解调法 10;
1.6.4 可调谐窄带光源解调法 10;
1.6.5 边缘滤波器解调法 12;
1.6.6 阵列波导光栅解调法 13;
参考文献 14;
第2章 可穿戴光纤光栅人体温度传感 16;
2.1 引言 16;
2.2 可穿戴光纤光栅温度传感器 16;
2.3 可穿戴光纤光栅温度场 19;
2.3.1 服装热传递机理 19;
2.3.2 光纤光栅温度场建模 2pan class="Apple-converted-space">;
2.3.3 光纤光栅温度场数值模拟 23;
2.4 可穿戴光纤光栅人体温度检测 29;
2.4.1 人均温度 29;
2.4.2 人体温度加权模型 3pan class="Apple-converted-space">;
2.5 可穿戴光纤光栅温度解调光电路 35;
2.5.1 温度解调原理 35;
2.5.2 温度解调光路 37;
2.5.3 温度解调电路 40;
2.6 可穿戴光纤光栅温度解调信号处理 49;
2.6.1 峰值检测算法 49;
2.6.2 温度检测算法 5pan class="Apple-converted-space">;
2.6.3 软体设计 53;
2.6.4 单片机程序设计 53;
2.6.5 LPC2106程序设计 56;
参考文献 58;
第3章 可穿戴光纤光栅人体心动传感 60;
3.1 引言 60;
3.2 可穿戴光纤光栅心音检测 6pan class="Apple-converted-space">;
3.2.1 膜盒式结构心音检测理论及方法 64;
3.2.2 光纤光栅振动膜片粘贴位置 67;
3.2.3 光纤光栅心音检测理论 69;
3.3 可穿戴光纤光栅心音传感器 70;
3.3.1 光纤光栅心音传感器外壳 70;
3.3.2 振动膜片与黏合剂 7pan class="Apple-converted-space">;
3.3.3 光纤光栅心音传感器封装 72;
3.4 可穿戴光纤光栅心音传感器解调实验 77;
3.4.1 温度特 77;
3.4.2 静态压力特 79;
3.4.3 频率特 83;
3.4.4 人体心音测试 85;
3.5 可穿戴光纤光栅人体心动信号处理 89;
3.5.1 心音信号提取算法 89;
3.5.2 心络提取算法 92;
3.5.3 心音起止点检测算法及验证 98;
3.5.4 心音特征提取及分析 10pan class="Apple-converted-space">;
参考文献 102;
第4章 光纤光栅解调光子集成概述 104;
4.1 引言 104;
4.2 单片硅基光子集成技术 106;
4.2.1 硅基光子集成回路 106;
4.2.2 硅基光子集成模块及其应用 109;
4.2.3 单片硅基光子集成发展方向 112;
4.3 阵列波导光栅解调光子集成 114;
4.3.1 阵列波导光栅解调系统 114;
4.3.2 阵列波导光栅解调光子器件 117;
参考文献 119;
第5章 光纤光栅解调光波导耦合器 12pan class="Apple-converted-space">;
5.1 引言 12pan class="Apple-converted-space">;
5.2 多模干涉耦合器 12pan class="Apple-converted-space">;
5.2.1 多模波导 12pan class="Apple-converted-space">;
5.2.2 输入/输出波导 124;
5.2.3 工作波长 127;
5.2.4 偏振特 127;
5.3 多模干涉耦合器测试 130;
5.3.1 光学能测试 130;
5.3.2 偏振特测试 132;
参考文献 133;
第6章 光纤光栅解调光栅耦合器 134;
6.1 引言 134;
6.2 光栅耦合器理论 135;
6.2.1 等效介质理论 135;
6.2.2 严格耦合波理论 137;
6.3 光栅耦合器数值模拟 139;
6.3.1 时域有限差分算法 139;
6.3.2 光束传播法 145;
6.4 输入光栅耦合器 147;
6.4.1 均匀光栅耦合器 15pan class="Apple-converted-space">;
6.4.2 二元闪耀光栅耦合器 156;
6.4.3 光栅耦合器器件测试 16pan class="Apple-converted-space">;
6.5 输入光栅耦合器阵列 162;
6.5.1 2×1耦合器 162;
6.5.2 弯曲波导 165;
6.5.3 光栅耦合器阵列 168;
6.5.4 光栅耦合器阵列器件测试 168;
6.6 输出光栅耦合器 170;
6.6.1 均匀光栅耦合器 170;
6.6.2 二元闪耀光栅耦合器 176;
6.6.3 二维光栅耦合器 179;
6.6.4 光栅耦合器器件测试 182;
参考文献 185;
第7章 光纤光栅解调阵列波导光栅器件 187;
7.1 引言 187;
7.2 阵列波导光栅基本理论 188;
7.2.1板波导 188;
7.2.2 矩形波导 192;
7.2.3 阵列波导光栅原理 195;
7.2.4 阵列波导光栅参数 200;
7.3 1×8阵列波导光栅 20pan class="Apple-converted-space">;
7.3.1 阵列波导光栅器件参数 20pan class="Apple-converted-space">;
7.3.2 阵列波导光栅数值模拟 206;
7.3.3 阵列波导光栅器件测试 216;
参考文献 22pan class="Apple-converted-space">;
第8章 光纤光栅解调锗波导光电探测器 222;
8.1 引言 222;
8.2 光电探测器工作原理 222;
8.3 光电探测器结构设计 224;
8.4 锗波导光电探测器结构设计 225;
8.4.1 入射光波导 225;
8.4.2 锗波导结构 230;
8.5 锗波导光电探测器光电特 233;
8.5.1 锗波导探测器基本结构 233;
8.5.2 光谱响应曲线和量子效率 235;
8.5.3 响应度和响应时间 237;
8.5.4 I-V特曲线和3dB带宽 239;
8.6 锗波导光电探测器能测试 24pan class="Apple-converted-space">;
8.6.1 波导及光栅光学损耗 24pan class="Apple-converted-space">;
8.6.2 光电流和暗电流特 242;
8.6.3 响应度 243;
参考文献 244;
第9章 光子集成芯片解调实验 245;
9.1 引言 245;
9.2 光子集成芯片片上键合 245;
9.3 光子集成芯片光纤耦合封装 253;
9.4 光子集成芯片解调方法及实例 256;
9.4.1 解调硬件和样衣制备 256;
9.4.2 光子集成芯片温度解调方法 257;
9.4.3 光子集成芯片心音解调方法 263;
9.4.4 心音解调实验结果 265;
参考文献 268;
彩图;
摘要与插图
第1章绪论
1.1 引言
光纤光栅是一种光无源器件，有两个能够直接传感并测量的基本物理量[，分别是应变和温度，它们是其他各个物理量传感必不可少的基础。光纤光栅传感器较其他原理的传感器具有很多不可替代的突出特点，所以它现在有着很广的应用前景。
光纤光栅传感具有如下特点[2]：
（1）抗干扰能力强：
（2）适于多种应用场合，尤其是智能结构和智能材料；
（3）高灵敏度、高分辨率，测量结果具有良好的线和重复；
（4）一根光纤中可写入多个光栅，构成传感阵列，复用能力很强，便于构成各种形式的光纤传感网络系统，行大面积的多点测量；
（5）在对光纤光栅参行标定后，可用于对外界参量的测量；
（6）可同时测量多个参数；
（7）耐温好，工作温度上限可达600℃；
（8）传输耗损小，能远距离传输波长编码，传感器到解调端可达几公里。
光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）?传感器由于其广阔的应用前景而备受瞩目。为了实现FBG传感器在传感领域一步应用，必须在保证其稳定、测量精度、能行静态监测和实时动态监测的同时，研究多点多通道同时高速监测。
1.2光纤光栅发展概况
光纤光栅传感器是一种通过在光纤上刻蚀光栅来制作的光学传感元件，随着光纤光栅解调技术的发展，光纤光栅传感器得到了广泛的应用。国外对光纤光栅传感技术的研究较早，1966年，美籍华人高琨博士及其课题组内学者提出了使用光纤来传输光信号的想法，这一想法为光纤技术用于光学传感和光学通信带来了曙光。1978年，加拿大学者Hill等先发现使用特定波段的光照射光纤可以改变光纤内某一部分的折射率，他们意识到这一发现可以用来制作出光纤光栅，这成为光纤光栅研究的一个起点[3]。1989年，加拿大学者Meltz等先采用全息干涉法生产制造出世界上首根反射波长位于通信波段的光纤光栅，极大地推动了光纤光栅技术的发展[4]。自个光纤光栅传感器发明今，光纤光栅传感技术在很多领域如桥梁、建筑、医学等获得了应用，成为传感领域发展快的技术之一。
2000年，南开大学的刘云启等使用有机聚合物将光纤光行了封装，使用这种新型光纤对压力和温行测量发现其比普通光纤拥有更高的灵敏度。2004年，武汉理工大学的姜德生等将多模光行了氢敏化处理，制作的多模光纤光栅可以反射光信号数量多达三个。2007年天津大学的刘铁根等提出了一种便携式光纤光栅波长解调仪，简化了解调系统结构，将仪器的实用化上升了的高度[5]。2009年，西安石油大学的乔学光等利用边缘滤波解调法，将光纤光栅应变传感器的测量范围提升2500u[60。2013年，华北电力大学的刘玮设计了一种基于法布里-珀罗（Fabry-Perot,F-P）滤波器法的传感解调方法，具有较高的解调速度与精度[]。2016年，刘鹏飞等设计了一种以可调谐滤波器实现波长扫描，同时以标准具实现波长标定的波长解调方法，由于标准具的引入，提高了解调精度和稳定[8]。2018年，刘睿等以两个F-P滤波器作为双边缘滤波器实现被测光的波长解调[9]。
到目前为止，限制光纤光栅传感一步广泛应用的主要问题是传感信号的解调方法。常见的光纤光栅解调方法有匹配FBG可调滤波解调法[10.1]、可调谐光纤F-P滤波器解调法[12]、衡马赫-曾德尔（Mach-Zehnder,M-Z）干涉仪解调法、可调谐窄带光源解调法[14]和阵列波导光栅解调法[15]等。作为光纤光栅解调方法的一种，阵列波导光栅解调法具有高精度和快速解调能力，这对于科研人员来说是一种吸引力的研究。但传统阵列波导光栅解调系统具有体积较大、价格较昂贵等问题，限制了其广泛应用。
随着光纤光栅应用范围的日益扩大，光纤光栅的种类也日趋增多[16]。根据折射率沿光栅轴向分布的形式，可将紫外写入的光纤光栅分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅。其中，均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度和折射率变化的周期（也称光纤光栅的周期）均沿光纤轴向保持不变的光纤光栅，如均匀光纤Bragg光栅（折射率变化的周期一般为0.lum量级）和均匀长周期光纤光栅（折射率变化的周期一般为100um量级）；非均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向变化的光纤光栅，如啁啾光纤光栅（其周期一般与均匀光纤Bragg光栅周期处同一量级）、切趾光纤光栅、相移光纤光栅和取样光纤光栅等。