薄膜铌酸锂微环高精度微波光子温度传感器OA
High-precision microwave photonic temperature sensor using thin-film lithium niobate micro-ring
为实现高精度温度传感,本文提出了一种基于高品质因子薄膜铌酸锂微环谐振器与微波光子读取技术的温度传感器.该系统中,薄膜铌酸锂微环谐振器(线宽为 2.87 pm,Q值高达 105)同时作为温度感知单元和微波光子滤波器的核心处理部件,利用热光效应将温度变化转换为光学谐振波长偏移,并创新性地借助微波光子技术将其线性映射为微波通带频率变化,采用矢量网络分析仪对微波频率响应进行精确探测,通过高精度频率响应变化实现温度测量,最终建立了温度与频率偏移量之间的定量关系模型.与传统直接检测光学波长变化的方法相比,微波光子学读取技术通过将微小的光学谐振波长偏移量线性地转换为微波通带中心频率的变化,突破了光谱仪固有的波长检测分辨率限制.实验结果表明,传感器灵敏度达 27 MHz/℃,分辨率可达 0.002 ℃,在 0.01 ℃实验温度变化条件下,保持良好的线性响应.本研究有效解决了传统光学测温中灵敏度与分辨率之间的权衡问题,为片上集成高精度温度传感提供了新方案.
This paper presents a high-precision temperature sensor based on a high-quality factor thin-film lithium niobate microring resonator integrated with a microwave photonic readout system.The microring res-onator,with a narrow linewidth of 2.87 pm and a high Q-factor of 105,functions simultaneously as the tem-perature-sensing element and the core signal processing component of a microwave photonic filter.Through the thermo-optic effect,temperature variations are converted into shifts in the optical resonance wavelength,which are innovatively mapped to linear changes in the passband center frequency of the microwave photon-ic filter.A vector network analyzer is employed to accurately detect the microwave frequency response,en-abling temperature measurement via high-resolution frequency variations and establishing a quantitative model between temperature and frequency shift.In contrast to conventional methods that directly detect op-tical wavelength shifts,the proposed microwave photonic readout technique linearly converts minute reson-ance wavelength shifts into changes in the microwave center frequency,thereby overcoming the resolution limitations inherent in conventional optical spectrum analyzers.Experimental results demonstrate a sensitiv-ity of 27 MHz/℃ and a resolution of 0.002 ℃,with excellent linearity maintained under temperature vari-ations as small as 0.01 ℃.This work effectively resolves the trade-off between sensitivity and resolution in traditional optical temperature sensing,offering a novel solution for on-chip integrated high-precision tem-perature monitoring.
王慧婕;常祺伟;游亚军;杨绪磊;贺文君;何剑;刘毅;丑修建
极限环境光电动态测试技术与仪器全国重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 仪器与电子学院,山西 太原 030051铁电物理微纳器件与系统山西省重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 航空宇航学院,山西 太原 030051铁电物理微纳器件与系统山西省重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 航空宇航学院,山西 太原 030051铁电物理微纳器件与系统山西省重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 航空宇航学院,山西 太原 030051铁电物理微纳器件与系统山西省重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 仪器与电子学院,山西 太原 030051极限环境光电动态测试技术与仪器全国重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 仪器与电子学院,山西 太原 030051极限环境光电动态测试技术与仪器全国重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 仪器与电子学院,山西 太原 030051极限环境光电动态测试技术与仪器全国重点实验室,山西 太原 030051||铁电物理微纳器件与系统山西省重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 仪器与电子学院,山西 太原 030051
信息技术与安全科学
微环谐振器温度传感薄膜铌酸锂微波光子
micro-ring resonatortemperature sensorthin film lithium niobatemicrowave photons
《中国光学(中英文)》 2026 (2)
258-266,9
国家自然科学基金(No.U23A20639,No.U2341210,No.62401524,No.62371426)广东省基础与应用基础研究基金委员会(No.2023A1515110148)Supported by National Natural Science Foundation of China(No.U23A20639,No.U2341210,No.62401524,No.62371426)Basic and Applied Basic Research Foundation of Guangdong Province(No.2023A1515110148)
评论