Review of fiber Bragg grating interrogation techniques based on array waveguide gratings

Li Ke , Dong Ming-Li , Yuan Pei , Lu Li-Dan , Sun Guang-Kai , Zhu Lian-Qing 基于阵列波导光栅的光子集成解调技术是硅光领域的研究热点和难点. 相比传统解调方法, 基于阵列波导光栅的光子集成解调技术因其解调精度高、解调速度快、封装体积小等优势, 在光纤布拉格光栅的高速、高精度解调上具有明显优势. 近年来, 随着光子集成技术的发展, 各科研院所和相关机构对阵列波导光栅的光子集成解调法进行了广泛深入的研究与优化. 本文通过介绍阵列波导光栅工作原理及基于阵列波导光栅的光纤布拉格光栅波长解调原理, 结合基于阵列波导光栅的光纤布拉格光栅解调仪在材料体系和系统性能两个方面的重要进展, 归纳了基于阵列波导光栅的解调仪的典型应用场景, 从新材料、系统集成和规模化三方面对光纤布拉格光栅解调系统的未来发展提出针对性建议, 为基于阵列波导光栅的光子集成解调技术的研究发展提供参考. 光纤布拉格光栅 /  波长解调 /  阵列波导光栅 /  光子集成回路  The photonic integrated interrogation technology based on array waveguide grating is a hot but difficult research area in the silicon optical field. Compared with traditional interrogation methods, the photonic integration interrogation technology based on an array waveguide grating has obvious advantages in high-speed and high-precision demodulation of fiber Bragg gratings due to its high demodulation accuracy, fast demodulation speed, and small package size. In recent years, with the development of photonic integration technology, various research institutions and relevant organizations have conducted extensive and in-depth research and optimization on the photonic integration interrogation method of array waveguide gratings. In this paper we introduce the working principle of array waveguide grating and the principle of fiber Bragg grating wavelength interrogation based on array waveguide grating, the important progress of fiber Bragg grating interrogator based on array waveguide grating in both material system and system performance, and summarize the typical applications in interrogator based on array waveguide grating. The future development of fiber Bragg grating demodulation system is proposed from three aspects: new materials, system integration, and scale-up, which provides a reference for the research and development of photonic integrated interrogation technology based on array waveguide grating. Keywords: fiber Bragg gratings /  wavelength demodulation /  arrayed waveguide grating /  photonic integrated circuit

李鸿强, 王润洁, 张美玲, 高倩, 张赛, 宋文超, 毛泉桦, 李恩邦, Garcia Juan Daniel Prades 2021 应用光学 42 898 Google Scholar

Li H Q, Wang R J, Zhang M L, Gao Q, Zhang S, Song W C, Mao Q H, Li E B, Garcia J D P 2021 J Appl. Opt. 42 898 Google Scholar 材料体系优点缺点主要应用场景 SiO ₂ 波导损耗低; 与光纤耦合损耗低; 偏振相关性低; 成本低; 制备工艺成熟稳定弯曲半径大(一般大于1 mm); 器件尺寸较大(大于几个mm ² ); 不能用来制备有源器件主要用来制备无源波导器件, 如耦合器、分路器、滤波器、光开关等, 也可以实现无源与有源器件的混合集成Si/SOI制备工艺与CMOS兼容; 弯曲半径小(可到5 μm); 器件尺寸小单偏振工作; 与光纤耦合损耗大; 制备工艺仍处于发展阶段可制作无源器件, 利用其扩展材料体系(Ⅲ/Ⅴ-Si、Ge-Si)可实现有源、无源器件单片集成, 但目前混合集成占主导地位InP直接带隙半导体材料偏振相关性明显; 工艺难度大是制备光源、探测器等有源器件的理想成材率; 可真正意义上实现各种有源与无源器件的单片集成聚合物制造简单; 后续处理工作量小; 单位成本低采样率较低; 光谱展宽和光学损耗方面性能较差可用于制作无源器件, 如AWG、耦合器、光纤光栅等; 便于实现全聚合物传感系统的搭建 技术方案材料体系动态范围采样率光源输出功率波长分辨率复用能力 色散滤波器或AWG的
波分复用技术 ^{[ 42 , 47 ]} SiO ₂ ≤10000 μ ε (1 FBG);
≤2500 μ ε (12 FBG)2 kHz (1 FBG);
20 kHz (5 FBG)<5 dBm±5 pm@
100 Hz色散滤波器: <12 FBG;
AWG: >12单片集成AWG光谱
分析技术 ^{[ 30 ]} InP4000 μ ε /4.8 nm
(8 FBG)19.2 kHz外部光源: 5 mW (FBG反射率>90%)5 pm单通道: 8 FBG混合集成AWG光谱
分析技术 ^{[ 38 ]} SOI5—80 ℃2 kHz0.8 mW (–1 dBm)±10 pm波分复用: 8通道AWG实现4 FBG解调混合集成AWG光谱
分析技术 ^{[ 51 ]} 聚合物3.0—4.2 V2 Hz6 mW (FBG反射率为90%)1 pm3通道AWG实现
1 FBG解调

李鸿强, 王润洁, 张美玲, 高倩, 张赛, 宋文超, 毛泉桦, 李恩邦, Garcia Juan Daniel Prades 2021 应用光学 42 898 Google Scholar

Li H Q, Wang R J, Zhang M L, Gao Q, Zhang S, Song W C, Mao Q H, Li E B, Garcia J D P 2021 J Appl. Opt. 42 898 Google Scholar 杜特, 马汉斯, 姜鑫鹏, 赵芬, 张兆健, 王志成, 彭政, 张伊祎, 张煜青, 罗鸣宇, 邹宏新, 吴加贵, 闫培光, 朱刚毅, 于洋, 何新, 陈欢, 张振福, 杨俊波. 片上光互连器件的智能化设计研究进展 . 物理学报, 2023, 72(18): 184204. doi: 10.7498/aps.72.20230705 叶焓, 韩勤, 吕倩倩, 潘盼, 安俊明, 王玉冰, 刘荣瑞, 侯丽丽. 基于选区外延技术的单片集成阵列波导光栅与单载流子探测器的端对接设计 . 物理学报, 2017, 66(15): 158502. doi: 10.7498/aps.66.158502 李晶, 宁提纲, 裴丽, 周倩, 胡旭东, 祁春慧, 高嵩, 杨龙. 三角形谱啁啾光纤光栅的制备及其在光纤无线单边带调制系统中的应用 . 物理学报, 2011, 60(5): 054203. doi: 10.7498/aps.60.054203 刘 艳, 郑 凯, 谭中伟, 李 彬, 陈 勇, 宁提纲, 简水生. 非对称单侧曝光切趾使啁啾光纤光栅获得优化性能 . 物理学报, 2006, 55(11): 5859-5865. doi: 10.7498/aps.55.5859