1、文章编号：1002-2082(2023)01-0219-07基于光子集成芯片的可穿戴光纤光栅解调研究李鸿强1，毛泉桦1，安芷萱1，林志琳1，王英杰1，孟文涛1，朱智越1，张振2，JuanDanielPradesGarcia3（1.天津工业大学电子与信息工程学院天津市光电检测技术与系统重点实验室，天津300387；2.天津工业大学计算机科学与技术学院，天津300387；3.巴塞罗那大学电子与生物医学工程学院，西班牙E-08028）摘摘 要：要：为了实现光纤光栅传感器在可穿戴系统中的应用，提出了一种基于硅基光子集成芯片的可 穿 戴 光 纤 光 栅 传 感 解 调 系 统。基 于 比 利时 iSiP
2、P50G 工 艺 的 光 子 集 成 芯 片 由 41 长 波 长VCSEL 阵列、18 阵列波导光栅、22MMI 耦合器、41 光纤光栅耦合器阵列、Ge-on-Si 波导光电探测器、直波导和弯曲波导等组成。在完成对 VCSEL 光源金线键合和光子集成芯片光纤耦合封装的基础上，设计了手环式解调电路，对人体温度和心音信号进行了实时测量。实验结果表明:解调系统的动态波长检测范围为 1540nm1560nm，波长分辨率为 0.08pm，解调精度为 5pm，温度监测范围为 3542，误差为0.1；可检测 50Hz100Hz 频率范围内的心音信号，可识别出第一心音和第二心音，并计算出心动周期、心率、第一
3、心音时限、第二心音时限和心力等特征参数。关键词：关键词：光纤光栅传感解调；光子集成芯片；温度；心音；可穿戴中图分类号：TN914文献标志码：ADOI：10.5768/JAO202344.0108001Wearable fiber grating demodulation based on photonic integrated chipLIHongqiang1，MAOQuanhua1，ANZhixuan1，LINZhilin1，WANGYingjie1，MENGWentao1，ZHUZhiyue1，ZHANGZhen2，JuanDanielPradesGarcia3（1.TianjinKeyL
4、aboratoryofOptoelectronicDetectionTechnologyandSystem,SchoolofElectronicsandInformationEngineering,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China；2.SchoolofComputerScienceandTechnology,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China；3.DepartmentofElectronicandBiomedicalEngineering,UniversityofBar
5、celona,BarcelonaE-08028,Spain）Abstract：Inordertorealizetheapplicationoffibergratingsensorinwearablesystem,awearablefibergratingsensor demodulation system based on silicon-based photonic integrated chip was proposed.The photonicintegratedchipbasedonBelgiumiSiPP50Gprocesswascomposedof41longwavelengthV
6、CSELarray,18array waveguide grating,22 MMI coupler,41 fiber grating coupler array,GE-on-SI waveguidephotodetector,straightwaveguideandcurvedwaveguide,etc.AftercompletingthegoldwirebondingoftheVCSEL light source and the optical fiber coupling package of the photonic integrated chip,a wristbanddemodul
7、ationcircuitwasdesignedtomeasurethehumanbodytemperatureandheartsoundsignalsinrealtime.Theexperimentalresultsshowthatthedynamicwavelengthdetectionrangeofthedemodulationsystemis 1 540 nm1 560 nm,the wavelength resolution is 0.08 pm,the demodulation accuracy is 5 pm,thetemperaturemonitoringrangeis3542,
8、andtheerroris0.1.Itcandetecttheheartsoundsignalinthefrequencyrangeof50Hz100Hz,identifythefirstheartsoundandthesecondheartsound,andcalculatethecardiaccycle,heartrate,thefirstheartsoundtimelimit,thesecondheartsoundtimelimitandcardiacparameters.收稿日期：2022-05-02；修回日期：2022-05-31基金项目：国家自然科学基金(61675154)；天津市
9、重点研发计划项目(19YFZCSY00180)；天津市科技计划项目(20YDTPJC01380)作者简介：李鸿强（1975），男，博士，教授，主要从事光纤光栅传感与解调技术研究。E-mail：第44卷第1期应用光学Vol.44No.12023年1月JournalofAppliedOpticsJan.2023Key words：fibergratingsensingdemodulation；photonicintegratedchip；temperature；heartsound；wearable引言可穿戴智能传感器既能够检测和人体生理数据相关的物理化学参数，如体温1、肌电2、心率3和血糖4-5
10、等，也能够检测身体的各类运动状况，如加速度6、肌肉拉伸度7-8和足部压力9等。具有以上功能的可穿戴传感器被用于医疗、健康、运动、工业和军事等多个领域10-12。相较于传统的电学传感器而言，光纤传感器有其无法比拟的优势所在，具体体现在灵敏度很高、质量较轻、体积较小等一系列方面中。光纤与织物纤维能够对光纤传感器进行封存，封存于织物内部，这样可以极大可能地提高佩戴的舒适程度，主要得益于其自身所具备的兼容性。因此，在可穿戴技术中，可以广泛运用光纤传感器这一种理想元件13-15。硅基光子学的发展为光学系统的小型化提供了可行性。光谱仪和光纤光栅解调仪被广泛地应用于光纤光栅传感测量中，为了实现它们最大程度的
11、集成化和微型化，国内外提出了基于 SOI 技术的微型光谱仪16-17和硅基光子集成芯片上的光纤布拉格光栅（FiberBragggrating，FBG）传感器解调仪18-20。这种技术仍不适用于可穿戴光子传感解调领域，为了实现连续、动态、长期监测人体生理信号，本文提出了一种基于光子集成芯片的可穿 戴 光 纤 光 栅 传 感 解 调 系 统（wearableflexibleintegratedopticalinterrogator，WFIOI）。1 可穿戴解调系统组成WFIOI 主要由手环结构的柔性光电路和植入紧身衣服的 FBG 构成。3 个 FBG 传感器分布在人体左腋窝（FBG1，中心波长为
12、1545.37nm）、胸口（FBG3，中心波长为 1551.72nm）和右腋窝（FBG2，中心波长为 1548.58nm），左右腋窝处传感器测量人体体温，胸口处传感器测量人体心音。手环结构的柔性光电路主要由阵列波导光栅（arrayedwaveguidegrating，AWG）解调光子集成芯片和外围电路构成。图 1(a)是整个柔性光电路的原理图，虚线框内是解调系统的光路，光子集成芯片如图 1(b)所示，芯片尺寸约为 2.5mm1.35mm，它由 18AWG、22MMI 耦合器、41 光纤光栅耦合器阵列、Ge-on-Si 波导光电探测器（photode-tector，PD）、直波导和弯曲波导等组成
13、。光源阵列由 4 个 VCSEL 组成，中心波长分别为 1545.34nm、1548.53nm、1551.33nm 和 1553.15nm。光子集成芯片外接的 3 个 FBG 负责测量人体温度和心音。VCSEL光源PDI VAmpAmpAmpI VI VPDPDMMI耦合器端面耦合器温度传感器(a)解调系统框图温度传感器心音传感器18 AWG光子集成芯片电源管理模块MUX24-bitADCUARTUART蓝牙模块ANTMCU800 m81 PD阵列41 光栅耦合器阵列18 阵列波导光栅21 分光器22 MMI耦合器端面耦合器(b)光子集成芯片图 1 解调系统示意图Fig.1 Schematic
14、 diagram of demodulation system光子集成芯片上的锗波导光电探测器通过外接 I-V 转换电路（AD825，AnalogDevices）和放大电路（LF353,TexasInstruments）将探测到的光信号转化为电信号，输入到带有 AD 转换功能的微控制器（ADuCM361，AnalogDevices）中。微控制器负责将采集的信号 AD 转换后，通过 UART 接口与 BLE4.0 蓝牙模块（CC2541，TexasInstruments）通讯，将采集数据发送给移动终端。手环式柔性电路结构和实际佩戴效果如图 2 所示，整个柔性光电路长为 130mm，宽为 35mm
15、，重量仅为 10g。在深度睡眠状态下 MCU 的功耗为 4A，前端的功耗仅为7A，驱动蓝牙模块需要 43mA，在使用容量为1000mAh 的 3.7V 锂电池为可穿戴设备供电的情况下，整个解调系统连续工作时间可长达 24h。由于需要将光子集成芯片上的端面耦合器外接光纤阵列（fiberarray，FA），我们进行了光子集成芯片的光纤耦合封装，选择的 FA 尺寸为 7.5mm2.5mm2.5mm。通过外部夹具夹持 FA，FA 上 V 型220应用光学第44卷第1期槽放置的单模光纤作为光输入，光子集成芯片上的汇聚型光栅通过外部垂直锥形光纤作为光输出，调节 FA 位置以便找到耦合效率最高的对准位置。封
16、装中输入光源设定为 1mW，输出最大时为20nW，所以经过光纤耦合封装后光路额外引入的损耗为46.98dB，最后通过点胶和 UV 固化实现光子集成芯片的光纤耦合封装。(b)实际佩戴示意图(a)柔性电路结构示意图电源管理芯片微控制单元蓝牙模块信号放大模块1 cm图 2 柔性电路实物图Fig.2 Physical picture of flexible circuit2 解调原理VCSEL 垂直腔面发射激光器作为输入光源，其为单纵窄带光源，3dB 带宽仅有 20pm，而输入宽带光源时布拉格光栅反射谱带宽为180pm，VCSEL带宽远小于布拉格光栅的反射谱带宽，使用 VCSEL窄带光源时无法得到完整的布拉格光栅反射谱，所以我们拟采用边缘滤波法与阵列波导光栅解调法相结合的方法，实现布拉格光栅的解调。2.1 温度解调原理温度解调的基本原理是根据布拉格光栅的波长选择性来实现的，它的频率光谱反射效率有着很大的改变，在一定的波段内，它的反射效率会发生强烈的变化。如果 VCSEL 的波长与此区域相一致，则其反射谱的状况见图 3(a)，其中蓝色实线部分所代表的是 VCSEL 光谱，而黄色实线部分则代表的是