简介

在过去的几十年里，光学传感器，特别是基于光纤的光学传感器，得到了广泛的研究和开发。它们在结构健康监测、生物医学传感和过程控制等应用中具有许多优势。传统上，光学传感器通过监测光波长的变化来检测环境变化。然而，使用光谱分析仪或边缘滤波器的传统询问技术往往存在速度慢、分辨率低或稳定性差的问题。

微波光子学通过将光波长偏移转换为微波频率偏移，为克服这些局限性提供了一种完美的解决方案。这使得在微波领域使用高速、高分辨率的电子测量技术成为可能。本文将探讨几种能够实现快速、精确光学传感的微波光子传感器架构 [1]。

双波长激光传感器

实现微波光子传感器的途径之一是使用双波长激光源。基本概念是使用一个波长携带传感信息，而另一个波长作为稳定的参考。通过在光电探测器上使这两个波长发生振荡，产生一个频率与波长差相对应的微波信号。传感波长的变化直接转化为振荡频率的变化，而振荡频率的变化可通过数字信号处理进行高精度测量。

如图1所示，双波长分布式布拉格反射器（DBR）光纤激光器能够有效实现这一概念。

这种激光器使用两个刻在保偏光纤（PM）上的匹配光纤布拉格光栅（FBG）。保偏光纤的双折射特性会产生两种正交偏振模式，其波长间隔由光纤特性决定。当这些模式在光电探测器处结合时，会产生可用于传感的拍频信号。

拍频由以下公式得出：

f_b = （c / （n_0 * λ_0）） * B

其中，n_0为平均折射率，λ_0为布拉格波长，B为光纤双折射。

温度或应变变化等外部扰动会改变双折射，从而改变拍频。图2展示了实验结果，证明了几个DBR激光器的横向作用力和拍频变化之间的线性关系。

这种方法可实现高分辨率传感——在一次实验中，所产生微波信号的2 kHz光谱宽度对应9 kPa的传感分辨率。

基于光电子振荡器的传感器

另一种强大的微波光子传感架构是光电振荡器（OEO）。光电振荡器是一种混合光电系统，其反馈回路包含光路和电路。通过在光电振荡器回路中加入对环境变化敏感的光学滤波器，振荡频率可以取决于被感测的参数。

图3显示了一个基于OEO的传感器，该传感器使用相移光纤布拉格光栅（PS-FBG）作为传感元件。

PS-FBG可作为窄光陷波滤波器。通过相位调制到强度调制的转换，可在OEO回路中创建一个等效的微波带通滤波器。当PS-FBG受到应变时，其陷波波长会发生偏移，从而导致OEO的振荡频率发生相应变化。

这项技术具有卓越的传感性能。在一次演示中，实现了0.20683 GHz/με的应变测量灵敏度。OEO输出具有高光谱纯度（70 dB边模抑制比），能够实现非常精确的频率测量。

该方法的一个重要变化是使用保偏PS-FBG，从而能够同时测量多个参数，且不受温度影响。通过产生与PM-PS-FBG的正交偏振模式相对应的两个振荡频率，温度和横向载荷都可以从频率偏移中确定。

光谱整形和波长-时间映射

第三类微波光子传感器利用了光谱整形和波长-时间（WTT）映射。该技术将光谱偏移转换为时域，从而能够使用高速电子设备进行测量。

图4展示了基于这一原理的传感系统。

锁模激光器可产生具有宽光谱的极短光脉冲。这种光通过包含线性啁啾光纤布拉格光栅（LCFBG）作为传感元件的干涉仪进行光谱整形。然后，利用像一段色散补偿光纤（DCF）这样的色散元件将整形光谱映射到时域。

由于频率与时间呈线性关系，该过程会产生线性啁啾微波波形（LCMW），其瞬时频率随时间变化：

f（t） = f_0 + Ct

其中f_0为初始频率，C为线性调频率。

当LCFBG因应变或温度变化而发生波长变化时，它就会改变生成的LCMW。通过将此波形与参考线性调频信号相关联，就可以从相关峰值的位置精确确定波长变化。

图5展示了将此技术应用于应变传感的实验结果。

这种方法具有以下优点：

1.高速：整个测量过程可在单个光脉冲内完成。

2.高分辨率：相关处理具有出色的抗噪性和精确度。

3.大动态范围：啁啾波形可以覆盖很宽的频率范围。

通过使用高双折射LCFBG，该技术可以扩展为同时测量多个参数，如温度和应变。

光子集成微波光子传感器

虽然光纤传感器性能卓越，但集成光子器件为开发结构紧凑、成本低廉的传感解决方案提供了机会。特别是硅光子器件对折射率变化高度敏感，非常适合化学和生物传感应用。

图6展示了使用微波光子技术对硅光子微圆盘谐振器（MDR）传感器进行询问。

高Q值MDR可作为陷波滤波器，将相位调制转换为强度调制。这相当于创建了一个微波光子滤波器，其中心频率取决于MDR的共振波长。环境变化会改变共振，从而改变滤波器的响应。

为了对传感器进行询问，需要施加一个宽带啁啾微波信号。MDR对啁啾信号进行滤波，滤波后的波形的时间位置指示共振波长的变化。这样就可以精确测量影响MDR的温度或折射率变化。

图7显示了硅MDR传感器的扫描电子显微镜图像和光学传输光谱。

极窄的共振（本例中为9 pm）可实现高灵敏度传感。通过利用单个MDR的多个回音走廊模式，可以同时测量多个参数。

结论

微波光子技术为提升光学传感器的速度和分辨率提供了强大的工具。通过将光波长偏移转换为微波波长偏移，这些方法充分利用了光子技术和电子技术的优势。主要优势包括：

1.高速运行：测量可在微秒或更短的时间内完成。

2.高分辨率：亚皮米波长位移可被分辨。

3.大动态范围：可测量宽波长范围。

4.多参数传感：同时测量多个环境因素。

随着集成光子技术和微波技术的不断发展，我们可以期待微波光子传感器的性能、成本和微型化方面取得进一步改进。这些发展将推动生物医学诊断、工业过程控制和结构健康监测等领域的新应用。