光纖傳感中光脈沖調(diào)制技術(shù)教學討論

周正仙　周瑞　袁揚勝

摘要：光脈沖調(diào)制技術(shù)是光纖傳感教學和研究中的一個重要的技術(shù)點。本文從不同的角度介紹了光脈沖調(diào)制技術(shù)。首先介紹了幾種典型的光脈沖調(diào)制技術(shù)，其次介紹光脈沖調(diào)制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，最后介紹光脈沖參數(shù)的分析和優(yōu)化方法。教學過程采用理論與實際相結(jié)合的方法，開拓了學生的視野，提高學生學習過程的積極性。

關(guān)鍵詞：光脈沖；調(diào)制技術(shù)；光纖傳感

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）17-0100-02

一、幾種典型的光脈沖調(diào)制技術(shù)

1.電光脈沖調(diào)制技術(shù)。當電壓加到晶體上時，晶體的折射率將發(fā)生變化，晶體的這種特性稱為電光效應。當晶體的折射率與外加電場的幅度成線性變化時，此時電光效應就是線性電光效應。電光脈沖調(diào)制，就是基于線性電光效應的一種強度調(diào)制技術(shù)。常用的電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)是基于馬赫曾德干涉原理的調(diào)制器，該技術(shù)已廣泛應用于通信系統(tǒng)中。根據(jù)其所使用的襯底材料，又分為LN-MZ（LiNbO3-MZ）調(diào)制器、GaAs-MZ調(diào)制器和聚合物-MZ調(diào)制器。在鈮酸鋰電光晶體襯底材料上采用鈦擴散技術(shù)形成波導構(gòu)成馬赫曾德干涉儀。輸入光束被均勻地分配到馬赫曾德干涉儀的兩個干涉臂上，然后在輸出端重新合并形成干涉，光在兩個干涉臂上的傳輸距離相同。當電極上不加電壓時，兩個干涉臂上傳播的光的相位不發(fā)生變化，則在輸出端以同相位相加產(chǎn)生相長干涉，此時輸出的光功率最大。當電極上加上一個合適的電壓時，則波導的折射率發(fā)生變化，致使兩個干涉臂上傳播的光之間產(chǎn)生180°的相位差，此時輸出端產(chǎn)生相消干涉，使得輸出的光功率最小。電光調(diào)制器由于存在著自然雙折射引起的相位延遲，且隨溫度的漂移而改變，往往使得被調(diào)制波形發(fā)生畸變，嚴重時會使調(diào)制器不能正常工作。

2.磁光脈沖調(diào)制技術(shù)。磁光調(diào)制技術(shù)是基于某些晶體在外加電場、磁場作用下，其偏振特性發(fā)生變化的特點來實現(xiàn)光脈沖調(diào)制的。法拉第磁光效應：當線性偏振光在磁光介質(zhì)中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一個強磁場，則光的偏振方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)角度與磁感應強度和光穿越介質(zhì)的長度的乘積成正比，即：

上式中，V：為費爾德常數(shù)，B：為磁感應強度，d：為光穿越介質(zhì)的長度，V：與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)。偏轉(zhuǎn)方向取決于介質(zhì)性質(zhì)和磁場方向。

磁光調(diào)制器由起偏器、磁光介質(zhì)、檢偏器和磁場產(chǎn)生單元組成。起偏器的偏振方向和檢偏器的偏振方向相互垂直，起偏器的偏振方向為垂直方向，檢偏器的偏振方向為水平方向。入射光信號經(jīng)過起偏器后變成垂直偏振的線性偏振光。此時，若磁光介質(zhì)周圍不加調(diào)制信號，則光在介質(zhì)中傳播不受磁場作用，光傳播到檢偏器時保持垂直的偏振方向。由于檢偏器的偏振方向為水平方向，因此光不能通過檢偏器，無光信號輸出。當在磁光介質(zhì)加上一定的磁場強度時，光在介質(zhì)中傳播受到磁場作用產(chǎn)生磁光偏轉(zhuǎn)。設計合適的磁感應強度和磁光介質(zhì)長度，使得光信號的偏振方向發(fā)生90°的偏轉(zhuǎn)，正好和檢偏器的偏振方向一致，輸出光信號功率最大。利用上述磁光效應，就可以實現(xiàn)脈沖光的調(diào)制。由于磁光材料透明波段的限制，磁光調(diào)制技術(shù)主要用于紅外光波段。

3.聲光調(diào)制技術(shù)。聲光調(diào)制技術(shù)的物理基礎(chǔ)是聲光效應，聲光效應是指光波在介質(zhì)中傳播時被超聲波場衍射或散射的現(xiàn)象。當超聲波在介質(zhì)中傳播時，由于超聲波的彈性效應，使得介質(zhì)中產(chǎn)生了彈性應變。介質(zhì)彈性應變是隨時間和空間周期變化的，從而使得介質(zhì)中各點的折射率也發(fā)生周期性的變化。介質(zhì)折射率的周期性變化將導致介質(zhì)中形成折射率光柵，光波在介質(zhì)中傳播時就會發(fā)生衍射現(xiàn)象。衍射光的強度、頻率和方向等將隨著超聲波場強的變化而變化。聲光調(diào)制器主要由聲波吸收器、聲光介質(zhì)、換能器和調(diào)制源組成。調(diào)制源用已產(chǎn)生的調(diào)制信號施加于電聲換能器的兩端電極上，驅(qū)動電聲換能器將電功率轉(zhuǎn)化成超聲功率。當入射射頻信號引起超聲波功率變化時，確定角度的衍射光的強度也會發(fā)生相應的變化，從而實現(xiàn)了脈沖光的調(diào)制。聲光調(diào)制具有驅(qū)動功率低、光損耗小、消光比高等優(yōu)點，非常適合應用于光纖傳感系統(tǒng)中，實現(xiàn)高質(zhì)量的光脈沖調(diào)制。

二、光脈沖調(diào)制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

由于光纖傳感系統(tǒng)對脈沖的參數(shù)有著很高的要求，因此大多數(shù)應用情況下光纖傳感系統(tǒng)都采用聲光調(diào)試技術(shù)對光信號的脈沖調(diào)制，實現(xiàn)一定頻率、一定脈寬的脈沖光輸出。聲光脈沖調(diào)制系統(tǒng)由信號發(fā)生器、射頻驅(qū)動器、聲光調(diào)制器組成。信號發(fā)生器產(chǎn)生一定寬度、一定頻率的周期性的電脈沖信號。電脈沖信號輸入到射頻驅(qū)動器中，驅(qū)使射頻驅(qū)動器產(chǎn)生一定寬度、一定頻率的周期性的射頻脈沖信號。通過射頻驅(qū)動器輸出的射頻脈沖信號對聲光調(diào)制器進行驅(qū)動，形成光路的周期性的通斷。連續(xù)光輸入聲光調(diào)制器后，就會被聲光調(diào)制器調(diào)制成一定寬度、一定頻率的周期性的脈沖光信號輸出。

三、脈沖參數(shù)的設計和優(yōu)化方法

（一）光脈沖參數(shù)的分析

光脈沖的參數(shù)主要有：脈沖寬度、脈沖峰值功率、脈沖周期、脈沖上升時間、脈沖下降時間等。

1.脈沖寬度。脈沖寬度是指脈沖有效的持續(xù)時間，一般定義為脈沖功率降低為峰值功率一半時所對應的脈沖持續(xù)時間。

2.脈沖峰值功率脈沖峰值功率是指脈沖最高值所對應的功率。

3.脈沖周期。脈沖周期是指相鄰兩個脈沖之間的時間間隔。

4.脈沖上升時間。脈沖上升時間是指脈沖功率從10%峰值功率變化到90%峰值功率所持續(xù)的時間。

5.脈沖下降時間。脈沖上升時間是指脈沖功率從90%峰值功率變化到10%峰值功率所持續(xù)的時間。

（二）光脈沖參數(shù)的優(yōu)化方法

脈沖的寬度、峰值功率、周期、上升時間、下降時間等參數(shù)對光纖傳感系統(tǒng)的性能會造成一定的影響。在光纖傳感系統(tǒng)中，這些參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響主要如下：

1.脈沖寬度對系統(tǒng)性能的影響。脈沖的寬度參數(shù)會影響系統(tǒng)的空間分辨率和定位精度，系統(tǒng)的空間分辨率與脈沖寬度之間的關(guān)系如下：endprint

上式中：SR：為空間分辨率，B：為光脈沖的寬度，V：為光在光纖中的傳播速度。從上式可以得出，系統(tǒng)的空間分辨率的大小與光脈沖的寬度和光在光纖中傳播速度的乘積成正比。對于特定的單模光纖，光在光纖中的傳播速度為一個確定的常數(shù)。因此，系統(tǒng)的空間分辨率只受光脈沖的寬度影響，系統(tǒng)的空間分辨率與光脈沖的寬度成正比。此外，由于同一個光脈沖持續(xù)時間內(nèi)的光信號都會產(chǎn)生干涉效應，因此會造成系統(tǒng)對事件的定位在同一個脈沖內(nèi)的不確定性。因此，系統(tǒng)的定位精度將受到光脈沖的寬度的影響，光脈沖的寬度越大，系統(tǒng)的定位誤差就越大。

2.脈沖峰值功率對系統(tǒng)性能的影響。在光纖傳感系統(tǒng)中，為了獲得很好的后向散射效果，我們必須注入高峰值功率的脈沖光信號。通過提高脈沖光的峰值功率來補償由于光纖衰減造成的脈沖功率損耗，使得脈沖光到達光纖的末端位置時仍然保持足夠的峰值功率。這樣就能提高系統(tǒng)末端后向散射的效果，提高系統(tǒng)末端的信噪比，從而也延長了系統(tǒng)的測量距離。但是，脈沖峰值功率過高會產(chǎn)生一些非線性效應現(xiàn)象，如會產(chǎn)生受激瑞利散射現(xiàn)象和受激拉曼散射現(xiàn)象，這些受激散射光會對系統(tǒng)的測量性能產(chǎn)生影響。因此，光脈沖的峰值功率應保持在一定的值范圍內(nèi)。系統(tǒng)的測量距離可以通過加寬光脈沖寬度來實現(xiàn)。

（三）脈沖周期對系統(tǒng)性能的影響

在光纖傳感系統(tǒng)中，同一個位置點產(chǎn)生的信號是隨時間變化的波形，光纖傳感系統(tǒng)就是通過連續(xù)的脈沖對波形進行采樣實現(xiàn)測量。因此，脈沖周期越小對波形的采樣率就越高，就能夠更精確地還原波形。但是，脈沖周期的縮短將縮短系統(tǒng)的測量距離。由于光纖傳感系統(tǒng)中，光在光纖中傳播需要時間，對后向散射光信號的采集和傳輸也需要時間。脈沖的間隔時間就是用來留給光在光纖中傳播和數(shù)據(jù)采集傳輸用的，系統(tǒng)的測量距離與脈沖間隔之間的關(guān)系為：

上式中：D：為系統(tǒng)的測量距離，T：為光脈沖間隔，V：為光在光纖中的傳播速度，根據(jù)上式，0.5ms的光脈沖間隔最大能實現(xiàn)50公里的測量距離。對應的脈沖對事件的采樣頻率為2kHz。在實際應用中，可以根據(jù)系統(tǒng)需要達到大最大測量距離來優(yōu)化光脈沖間隔。若要實現(xiàn)45公里的測量距離則光脈沖的寬度為0.5ms。

（四）脈沖上升和下降時間

脈沖的上升和下降時間將影響光脈沖的寬度，進而對系統(tǒng)的空間分辨率和系統(tǒng)的定位精度產(chǎn)生影響。因此，在實際應用中應選擇較小的上升和下降時間的光脈沖調(diào)制器。

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