一种基于激光光学集成芯片的测振方法与流程

本技术是申请日为2022年5月25日、申请号为202210576611.5、发明名称为“一种分时校准频漂的激光测振光学集成芯片及方法”的专利申请的分案申请。本发明涉及光电通信，特别是一种基于激光光学集成芯片的测振方法。

背景技术：

1、振动特性分析是鉴别可靠性的重要手段，而对于不同的监测目的应利用不同的传感技术。最常用的振动传感器是加速度传感器，它的成本低、可靠性高，但是属于接触测量，必须附着在待测物体的表面，每个监测点需一个加速度传感器，而且只有进行精确标定才能进行绝对测量。此外，加速度传感器的标定还易受环境温度变化的影响，不可避免的机械共振限制了测量带宽。微声器或其它声传感元件虽属非接触测量，但仍不能消除机械共振对带宽的影响，而且环境噪声或非监测部分发射的噪声有可能湮没有用的信号。随着激光和光纤技术的迅速发展，现在有可能设计出一种新型的闭合光路激光多普勒振动传感器，以克服有振动传感器的固有缺点，扩大应用范围，其中包括地震孕育阶段的基岩微破裂探测，这种极其微小的振动是难以探测的。

2、激光多普勒测振系统将激光光束照射在粗糙目标表面，通过检测回波光束与本振光束之间的相位差异来分析目标振动所产生的多普勒频率调制信息，从而获得目标振动的位移、速度等物理量。这种传感器是一种非接触测量仪器，因为没有质量耦合，传感器对物体的振动特性没有影响。此外，这种传感器没有机械运动部分，消除了限制测量带宽的固有共振。

3、专利申请号201911284902.1采用片上延迟干涉仪和混频接收方法对激光器波长漂移进行补偿，但该专利未阐述芯片内部的具体结构方式，且延迟干涉仪通过波导与片外激光连接，集成度不高，片外需要对延迟干涉仪进行光路耦合，增加了系统集成工艺步骤并且体积依旧会较大。

4、此外，片上延迟干涉仪需要经过激光器分束，即该方法等价的提高了激光器所需要的总功耗，同时也提高了“相干检测光路”部分的相对强度噪声。

5、现有的激光多普勒振动检测设备普遍以自由空间光路或光纤光路传输为基础进行设计与生产，均采用分立光学晶体器件或光纤光学器件搭建迈克尔逊干涉仪或马赫曾德干涉仪结构，体积庞大，成本较高，并且通常为了达到高灵敏度和精确度需要采用窄线宽的激光器提高系统相干长度，进一步提高了系统的成本。

6、此外目前的激光多普勒测振设备在长期工作过程中，激光器的工作波长会随时间产生漂移，影响了系统的精确度。

7、为解决当前高精度的激光多普勒测振设备体积庞大、成本高的问题，本发明激光器输出的光通过片上分束器进行直接分束，集成度更高，无需光纤等其它额外器件更利于封装，利于整个系统的体积小型化；可通过对激光器频漂做“时分复用”，无需额外分束进行频漂计算和补偿，有利于降低系统功耗；无需额外混频器或干涉光路等进行激光器频漂补偿，进一步降低芯片尺寸，从而达到功耗低、体积小、集成度高、成本更低，同时实现激光器的频漂分时校准的技术效果。

技术实现思路

1、针对上述问题，提供一种分时校准频漂的激光测振光学集成芯片，包括激光器、集成光学芯片、数据处理模块、激光器驱动和发射透镜；所述集成光学芯片包括耦合器一、分束器一、相移器一、混频器、马赫曾德尔结构、合束器二、合束器一和耦合器二。通过片上分束器进行直接分束，集成度更高，无需光纤等其它额外器件更利于封装，利于整个系统的体积小型化；可通过对激光器频漂做“时分复用”，无需额外分束进行频漂计算和补偿，有利于降低系统功耗；无需额外混频器或干涉光路等进行激光器频漂补偿，进一步降低芯片尺寸，从而达到功耗低、体积小、集成度高，同时实现激光器的频漂分时校准的技术效果。

2、为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是。

3、一种分时校准频漂的激光测振光学集成芯片，其特征在于：包括激光器、集成光学芯片、数据处理模块、激光器驱动和发射透镜；所述集成光学芯片包括耦合器一、分束器一、相移器一、混频器、马赫曾德尔结构、合束器二、合束器一和耦合器二；所述激光器输出的激光依次进入集成光学芯片、发射透镜后聚焦至振动物体表面，经振动物体表面反射回来的振动信号光束由集成光学芯片接收并处理后，由数据处理模块解调获取振动信号；当激光测振系统经持续工作或恶劣环境影响而发生频率漂移时，通过所述马赫曾德尔结构与第一参考光进行波长漂移校准，并经数据处理模块处理后调节激光驱动，实现所述激光器中心频率的维稳。

4、优选的，所述激光器、发射透镜分别通过光纤或自由空间耦合与耦合器一、耦合器二相连。

5、优选的，所述马赫曾德尔结构包括分束器二、相移器二、分束器三。

6、优选的，所述分束器二的输入端与相移器一的输出端通过波导相连，所述激光经分束器二分束为第二参考光和第二信号光；所述第二参考光通过波导直接与分束器三相连；所述第二信号光通过波导依次与相移器二和分束器三相连。

7、优选的，所述激光器输出的激光经过耦合器一耦合至芯片内，经分束器一分束后形成第一参考光和第一信号光，所述第一参考光通过波导直接输出至混频器的一个输入端；所述第一信号光经相移器一后进入马赫曾德尔结构，经马赫曾德尔结构内部的分束器三分束后，通过所述分束器三的一个输出端直接输出至合束器二，并最终输出至混频器的另一输入端。

8、优选的，所述分束器三的另一输出端依次与合束器一、耦合器二和发射透镜相连，最终经发射透镜输出至振动物体表面，经振动物体表面反射回来的振动信号光束通过耦合器二耦合至芯片内部，经合束器一和合束器二后输出至混频器的另一输入端，并与所述第一参考光混频输出至数据处理模块，由所述数据处理模块解调获取振动信号。

9、优选的，所述分束器三输出的信号光经合束器一后全部到达耦合器二；此时，所述信号光不能通过合束器一输出至合束器二。

10、优选的，所述相移器一、相移器二采用可调谐相移器。

11、优选的，所述相移器一、相移器二采用热调谐相移器。

12、优选的，所述相移器一采用延时波导结构。

13、优选的，一种分时校准频漂的激光测振方法，其特征在于包括以下步骤：

14、s1：相移器一长度为l，所述相移器一的作用是使得第一参考光到达混频器时和第一信号光经过分束器三、分束器二后直接到达混频器时，两路光之间的相位差为：，其中k=0,1,2……；

15、假设激光器中心频率为 f0，则有：

16、；

17、其中 n为波导的等效折射率， c为真空中光速。

18、s2：激光测振系统在刚开始进行振动测量或外界环境稳定适宜的条件下工作时，对相移器二进行相移调谐，同时第二信号光与第二参考光之间的相位差满足：

19、或，其中m=0,1,2……；

20、此时分束器二、相移器二、分束器三及所述器件之间的连接波导一起构成马赫增德尔干涉仪结构，并满足干涉相长（或相消）条件，此时分束器三输出的光将全部到达合束器一处，并经过耦合器二耦合输出进行振动测量。

21、s3：所述激光器的中心波长因持续工作或外界恶劣环境发生漂移，此时对相移器二进行相移调谐，同时第二信号光与第二参考光之间的相位差满足：

22、或，其中m=0,1,2……；

23、此时分束器二、相移器二、分束器三及所述器件之间的连接波导一起构成马尔增德尔干涉仪结构，并满足干涉相消（或相长）条件，分束器三输出的光将全部通过合束器二输入至混频器，同时与第一参考光进行波长漂移计算校准。

24、s4：假设中心频率漂移为 δ，通常情况下 δ是一个极小值；所述混频器中输出的i路和q路信号的相位差中将偏离原来相位差，偏移相位为：

25、

26、根据混频器解调原理，输出iq两路信号差为：

27、

28、所以可以得到激光器中心频率漂移量与混频器输出之间的关系：

29、

30、混频器二输出两路信号分别为：

31、

32、所以有：

33、

34、根据上式从混频器输出的结果中求得激光器的中心频率漂移 δ，后处理模块根据求得的结果来调节激光器驱动的电流或激光器内部温控方式，从而实现激光器中心频率维稳。

35、优选的，一种基于激光光学集成芯片的测振方法，其特征在于包括以下步骤。

36、s1：假设测量物体的振动位移为s( t)，则它引起的相位变化量为：

37、

38、其中，λ为激光波长。

39、s2：所述混频器中四个端口输出的光功率可以表示为：

40、

41、其中， 为相移器二的调相信号，其调制频率通常远大于振动频率。

42、s3：将混频器中四个端口信号两两相减分别得到iq两路信号，再将相减信号相除，再做反正切运算可解调出相位信息：

43、

44、通过滤波、小波分解等手段可分离出，再通过换算公式可还原出物体的振动位移为s( t)。

45、由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果。

46、1.本发明通过片上分束器进行直接分束，集成度更高，无需光纤等其它额外器件更利于封装，达到整个激光测振系统小型化的技术效果。

47、2.本发明通过对激光器频漂做“时分复用”，无需额外分束进行频漂计算和补偿，达到降低系统功耗得技术效果。

48、3. 本发明无需额外混频器或干涉光路等进行激光器频漂补偿，进一步降低芯片尺寸，从而达到功耗低、体积小、集成度高、成本更低，同时实现激光器的频漂分时校准的技术效果。