智能穿戴光纤与光子集成

　　迄今为止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、电流和电压等电学性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）光栅是一种非常重要的光学器件，它在光纤光栅传感应用中取得了巨大的成功。由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、尺寸小、重量轻、耐温性好、复用能力强、灵敏度高等优点，早已成功地应用在航空、航天、化工、电力、船舶、煤矿、土木工程等各个领域，国内近些年来我们首先将其应用于体温、心音、脉搏、血压等可穿戴人体生命体征的测量中。《智能穿戴光纤与光子集成》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，《智能穿戴光纤与光子集成》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性知识。

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目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 光纤光栅发展概况 1
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 非平衡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 21
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 人体平均温度 29
2.4.2 人体温度加权模型 31
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 51
2.6.3 软件总体设计 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 61
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 71
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 温度特性 77
3.4.2 静态压力特性 79
3.4.3 频率特性 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 心音包络提取算法 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 101
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 121
5.1 引言 121
5.2 多模干涉耦合器 121
5.2.1 多模波导 121
5.2.2 输入/输出波导 124
5.2.3 工作波长 127
5.2.4 偏振特性 127
5.3 多模干涉耦合器测试 130
5.3.1 光学性能测试 130
5.3.2 偏振特性测试 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 151
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 161
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 平板波导 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 201
7.3.1 阵列波导光栅器件参数 201
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 221
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性 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特性曲线和3dB带宽 239
8.6 锗波导光电探测器性能测试 241
8.6.1 波导及光栅光学损耗 241
8.6.2 光电流和暗电流特性 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