1、第 六 章 何 謂 光 調 制n光調制就是將一個攜帶信息的信號疊加到載波光波上,完成這一過程的器件稱為調制器。n調制器能使載波光波的參數隨外加信號變化而變化，這些參數包括光波的振幅、位相、頻率、偏振、波長等。承載信息的調制光波在光纖中傳輸，再由光探測器系統解調，然后檢測出所需要的信息。 6.1 光強度調制技術一、微彎效應光強度調制技術一、微彎效應光強度調制技術 1、 原 理 利用光在微彎光纖中強度的衰減原理，將光纖夾在兩塊具周期性波紋的微彎析構成的變形器中構成調制器。從波導理論的觀點來看，當光纖發生彎曲時，傳輸光會有一部分泄漏到包層中去，這種泄漏是光纖內發生模式耦合的結果，這些耦合模變為輻射模

2、，造成傳播光能量的損耗。n纖芯中的光向包層逸出的原因從幾何光學來說是由于全反射條件的破壞造成的，從波導理論來說則是光纖的彎曲引起了各種傳導模式的耦合，則形成耦合模式被送入包層中去產生輻射模。 微微 彎彎 調調 制制 示示 意意 圖圖2、 定定 量量 分分 析析微彎效應造成的損耗 可寫成如下形式 式中 為齒距， 為齒數目， 為變形幅度， 為纖芯半徑， 為光纖外半徑， 為內外層折射率差值。其中任何一個參數改變都會起到光強調制的作用。在實際問題里，變形器及光纖參數全部固定時，則可認為 ),(baxmf mxb)(xg 實 際 測 量 框 圖n利用這種調制技術可以直接測量位移的變化量(變形器上的變形板

3、位移的大小決定光強的衰減程度),而間接測量的量則可包括溫度，壓力，振動，應變等。探測器脫 模 器脫 模 器 脫 模 器 的 作 用n這里脫模器的作用是在進入探測器之前消除掉進入包層中的光以保證只有纖芯中的光才能傳到變形器和探測器。n其方法是在幾厘米長的包層外邊表面上刷上黑漆，這就可以以乎完全吸收掉傳入包層中的光（或者剝去外包層置于折射率匹配的小盒中）。4、其它類型其它類型n被測物體移動引起光纖變形， 曲率半徑隨之改變，引起輻 射模。 其其 它它 類類 型型n將 光 纖繞 成 多圈 螺 旋管 狀 ，增 加 變形 長 度以 提 高靈 敏 度。 微 彎 型 水 聽 器n多模光纖繞于帶有螺紋的鋁管螺紋

4、谷內不會發生變形，而通過縱向槽的那部分光纖將由于外部壓力而變形，如果這種壓來來自于聲波，則可依此原理制成水聽器。脫模器脫模器探測器探測器二、二、 光 強 度 的 外 調 制 技 術n上述微彎調制技術屬于內調制，屬于功能性調制技術，它是利用光纖本身特性的改變來實現光調制的。n所謂外調制技術，是指調制環節發生在光纖以前的部分，光纖本身的性質并不改變，它只起到傳光的作用。此時的光纖分為兩部分，即輸入光纖和輸出光纖，或發送光纖和接收光纖，由于接收光強與接收光纖的端面的法向方面有關，于是接收光纖的端面可以視為接收信號。 1 1、 反射型光強外調制傳感器反射型光強外調制傳感器na、原理n由輸入光纖出射的光

5、投射到反射面上，其反射光的一部分進入輸出光纖，進入多少與反射面位置有關。輸入光纖輸出光纖反射面 b、 定 量 分 析反射鏡面的移動方向是與光纖探頭端面垂直的，反射鏡面在其背面距離 處形成輸入光纖的虛象，因此，光強調制作用是與虛光纖和輸出光纖的耦合相聯系的。設兩光纖皆為階躍折射率光纖，芯徑為 ，數值孔徑為 ，兩光纖垂直距離為 ，并定義dr2AN.).(sin1ANtgT反射型光強外調制傳感器示意圖反射型光強外調制傳感器示意圖2ad2r輸出光纖輸入光纖的鏡像 檢 測 范 圍則當距離則當距離 時，兩光纖的耦合為零，時，兩光纖的耦合為零，無反射光進入輸出光纖；無反射光進入輸出光纖；當 時，兩光纖耦合最

6、強，輸出光強達最大值，此時輸入光纖的像發出的光維底面積 將輸出光纖端面積全部遮蓋，是一個常數，光維底面積為 Tad2Trad222r2)(dT因此最大檢測范圍是 即檢測位移的范圍在 和 之間。 Tad2Trad22Trd 定定 量量 計計 算算 光光 耦耦 合合 系系 數數如果定量計算光耦合系數，必須先計算輸入光纖像的發光維體面積與輸出光纖端面的交疊面積，如果精確計 算 ， 則 必 須 使 用gamma方程，十分復雜 。輸出光纖a輸入光纖如果作線性近似，即將維體邊緣與輸出光纖芯交界的弧線作為直線處理，則可得到線性解，在線性近似下，可求得交疊面積與光維底面積之比為 rrr1cossin11cos

7、111r式中 為交疊面積的高，由 決定： 假定反射鏡面無光吸收，兩光纖的光功率耦合效率 ，即為交疊面積與光維底面積之比， 的最大值發生在 處。dadT 2F222dTrrFFTad 上述關系式給出了反射式位移傳感器的設計依據，如果芯徑 ，的階躍光纖， ，計算結果表明最大耦合效率 發生于 處。此傳感器的固有分辨率好于 。mr2002 5 . 0.ANma100%2 . 7maxFmd320nm1 這 些 都 是 簡 化 處 理 上面的分析作了很多簡化處理：除了線性假設不分，還假定了光纖為階躍型光纖；模譜是均勻一致的，即功率密度在光維底面上是均勻的；反射面平行于光纖端面；反射率為100等。 2、遮

8、光型光強外調制技術遮光型光強外調制技術n上面所言為反射式，除此之外還有遮光式，一種辦法是將發射光纖和接取光纖對準，光強調制信號加在移動的遮光板上；另一種方法是直接移動接收光纖。這兩種方式都是使接收光纖只能收到發送光纖發出的部分光，從而實現光調制。 遮光型光強外調制技術遮光型光強外調制技術n用這種辦法可以測量位移、壓力、溫度等物理量，這些物理量的變化都可使光強減弱由于閘式要使兩光纖距離大一些，因此光損耗較大，但它可固定兩光纖，因而使用可靠。 光閘輸入光纖輸出光纖 三、三、 折射率光強度調制技術折射率光強度調制技術 （反射系數式光強調制技術）（反射系數式光強調制技術）n反射系數與兩介質的折射率有關

9、，利用折射率的變化來改變反射系數，則可達到調制光強的目的，下圖給出了一種典型裝置：光源探測器信號處理調制器 調調 制制 部部 分分 細細 節節全反射面1n2n3n調調 制制 機機 理理n由光纖左端入射的光，一部分沿光路返回到探測器。調制機理是：n光纖左端有兩個反射面，其中底面的為全反射面（鍍膜而成），兩反射面搭接，斜面反射面與折射率為的介質接觸，調節斜面反射鏡的角度使纖芯光經反射后能垂直入射到全反射面上，則纖芯光入射到斜反射面時能夠部分地透射到的介質中去，由費涅爾公式描述： 其中 為強度反射系數， ，為入射角。可見，若 介質由于壓力或溫度的變化引起 微小變化，則會導致反射系數的變化，從而導致反

10、射光強的改變，利用此原理可設計溫度或壓力傳感器。 221222122)sin(cossincosnnRR13nnn 3n3n6.2 光 偏 振 調 制 技 術n許多物理效應都會影響或改變光的偏振狀態，采用這些效應可設計偏振調制器，下面介紹一種典型效應。n法拉弟發現，許多物質在磁場的作用下可使穿過它的平面偏振光的偏振 方 向 旋 轉（在光的傳播方向上加上強磁場時）一、法拉弟效應（磁致旋光效應）一、法拉弟效應（磁致旋光效應）d振動面旋轉的角度 由經驗公式給出： 式中 為靜磁通量， 為光所穿越的媒質長度， 是比例因子，稱費爾德常數，一種特定媒質的費爾德常數隨頻率和溫度而變。rBdBdr實 際 例 子

11、對于氣體， 約為 ，固體和液體為 的量級。 如對于1厘米長的 樣品， 高斯的磁場， ，此時 振動面將轉動 。r2100131. 0r510OH2410CT20112顯然，法拉弟效應可用來設計光調制器，欲提高效率必須每單位長度的材料對光的吸收要盡量小，而偏振面旋轉的角度要盡量大，為此，人們研制了許多奇特的鐵磁材料，如 eCraw 利用人工生長的釔鐵石榴石（YIG）磁性晶體，它的費爾德數可以達到 (對 波長， 溫度范圍)。 .CR0 . 9m3 . 1C8525 利用法拉第效應測磁場 實實 驗驗 裝裝 置置 圖圖 調制電壓恒定磁場起偏器起偏器 線偏振光從左面進入晶體，橫向的直流磁場線偏振光從左面進

12、入晶體，橫向的直流磁場使使YIG晶體在此方向上引起磁化飽和，而總的晶體在此方向上引起磁化飽和，而總的磁化強度矢量（由恒定磁場和線圈磁場所引起）磁化強度矢量（由恒定磁場和線圈磁場所引起）可以改變方向，它對晶體軸的傾斜角度正比于可以改變方向，它對晶體軸的傾斜角度正比于線圈中的調制電流。線圈中的調制電流。因為法拉弟旋轉依賴于磁化強度的軸向分量，因為法拉弟旋轉依賴于磁化強度的軸向分量，所以線圈電源控制了所以線圈電源控制了 角，檢偏器按照馬呂定角，檢偏器按照馬呂定律把這一偏振調制轉換為振幅調制。也就是說，律把這一偏振調制轉換為振幅調制。也就是說，要傳遞的信息作為調制電壓加在線圈上，則出要傳遞的信息作為調

13、制電壓加在線圈上，則出射的激光束以振幅變化的形式攜帶著信息。射的激光束以振幅變化的形式攜帶著信息。應當指出的是，應將法拉弟旋轉和旋光性旋轉法拉弟旋轉和旋光性旋轉加以區別，所指旋光性旋轉，是指入射線偏振光的電場振動面在旋光材料中連接地旋轉的現象。這種現象的一個特點是旋轉方身與傳播方向有關，當光線正反兩次通過一個旋光性物質時，總旋轉角度為零，而法拉弟旋轉是與光傳播方向無關的，正反兩次通過法拉弟材料后，總的旋轉角度為 。2法拉弟旋轉和旋光性旋轉之區別這樣，為了獲得更大的法拉弟效應，可以將放在磁場中的法拉弟材料做成平行六面體，使通光面對光線方向稍偏離垂直位置，并將兩面鍍層反射膜，只留入口和出口，這樣，

14、若光束在其間反射 次后出射，則有效旋光厚度為 ，則偏振面的旋轉角度將提高 倍。NNdN高反射膜6.3 相 位 調 制 一、一、 概概 述述n利用光相位調制來測量某些物理量的開發應用已有一百多年的歷史，不過一般以空間作為干涉光路的干涉儀體積大，環境條件要求嚴格，調整也困難，因此限制了在工業中的應用。n光導纖維的出現為光學干涉儀開辟了廣闊的天地，因為用光纖代替自由空間作為干涉光路有兩個突出的優點：一是減少了干涉儀安裝和校準的固有困難，可使儀器小型化，塊體化。二是可以用加長光纖的方法使干涉光路對環境參數的響應靈敏度增加。相位調制是光纖傳感器中最基本的調制技術，它的靈敏度極高，據報導，可探 測光程差引

15、起的相位變化（對 于 光波），這相當于一個原子核直徑的大小。相位調制經常與干涉測量機并用，構成相位相位調制經常與干涉測量機并用，構成相位調制的干涉型光纖傳感器。光纖干涉傳感器被調制的干涉型光纖傳感器。光纖干涉傳感器被認為是潛在開發靈敏度最高的儀表。認為是潛在開發靈敏度最高的儀表。m1410m83.0 概概 述述 二、二、 調 制 原 理n光纖中傳導的光，其相位變化取決于處界物理量產生的光纖波導的下面三個參數的變化。n光纖物理長度的變化n（軸向應變伸長、熱膨脹引起的伸長、泊松比變化引起長度伸長）n光纖折射系數及分布的變化（溫度引起、光彈效應）n光纖橫截面幾何尺寸的變化（壓力、熱膨脹）為簡化分析，

16、假定分析折射率沿其截面分布不變化，則光相位調制則只由光纖長度、折射率大小和橫截面尺寸產生。光纖中傳播光相位變化可以表示為 dnL 軸向長度變化 產生的相位移 折射率變化 產生的相位移 光纖直徑變化 產生的相位移LLnndd其中 此三個因素中 產生的相移表達式比較復雜，與 有關，其大小取決于光纖的結構。 （ 為光纖軸向應變）122LLL1nLn2dLd 22dd 外施參量與光相位的關系可由被測量產生的光纖參量變化來求得，下面以溫度來說明。外施溫度對光纖的熱影響是最簡單的情況。此時可只考慮溫度對長度和折射率變化而忽略溫度引起的直徑變化。則TTnL2 對純硅材料，熱脹溫度系數 ，折射率溫度系數 ，因

17、此每束光纖升溫一開的光相位移為 k/105 . 57kTn/1068. 05rad106三、三、 相相 位位 調調 制制 實實 用用 技技 術術 1、邁克爾遜干涉儀n單色光徑分束器分為光強相等的兩束光：一束一束射向固定反射鏡，然后反射到分束器，被其透射向固定反射鏡，然后反射到分束器，被其透射部分，由探測器接收；射部分，由探測器接收；n另一束入射到可移動反射鏡上，然后反射回分另一束入射到可移動反射鏡上，然后反射回分束器，經分束器反射的部分也傳到探測器；束器，經分束器反射的部分也傳到探測器；n當光程差小于激光器的相干長度時，傳到探測器的兩束光則產生干涉。 邁克爾遜干涉儀示意圖激光器固定反射鏡探測器

18、可移動反射鏡調制器兩相干光的位相差為 式中 為空氣中的光傳播常數， 為兩相干光的光程差。 02k0k002nk2 可見，可移動反射鏡每移動 長度，光探測器的輸出就從最大值變到最小值，再變到最大值，變化一個周期。如果使用 激光，它能檢測的位移大致為 ，即 的位移。206328ANeHem710m131063. 0 2.馬赫澤德干涉儀示意圖馬赫澤德干涉儀示意圖固定反射鏡光 源探測器可移動反射鏡傳感器 與邁克爾遜干涉儀之區別與邁克爾遜干涉儀之區別n1. 它沒有光返回到激光器，利于激光 器減少不穩定噪聲；n2. 從分束器向上也可以獲得兩束光， 一為參考光的反射，一為信號光的 透射，若需要，可利用這兩束

19、光 獲得第二個輸出信號。固定反射鏡光 源探測器可移動反射鏡傳感器 3. 塞格納克干涉儀塞格納克干涉儀光源探測器 塞格納克干涉儀的特點塞格納克干涉儀的特點n這種干涉儀的特點是，激光束分為干涉和透射兩束沿相反方向傳播，最后匯合到分束器回到探測器。n在這種干涉儀中，任何一塊反射鏡在垂直表面的方向上移動，兩束光的光源變化皆相等，因此不會在探測器上探測到光強之變化。n但是，當將此裝置置于一個可繞垂直于光束平面軸旋轉的平臺上時，由于塞格納克效應，兩束傳播方向相反的光就會有不同的延遲。 若平臺以時針方向以速度 轉動，則在順時針方向傳播的光較反時針方向延遲大，此相位延遲是可表為 式中 旋轉角速度， 光路圍成的

20、面積， 光速， 真空光波長。這樣，通過檢測光器變化，可知旋轉速度，這種技術是設計導航系統中環形光纖陀螺的基礎。CA08AC0 4. 法布里珀羅 干涉儀干涉儀光源傳感器探測器 法布里一珀羅干涉儀的特點它由兩塊半透半反的平行放置的反射鏡組成，通常反射率達95以上。激光入射干涉儀沒在兩個反鏡間做多次往返反射，透射出來的平行光束由探測器接收。它與前三種的主要區別在于前面都是雙光束干涉，此為多光束干涉，此時在探測器上觀察到的干涉光路的變化為 式中 為反射率 為 相鄰光束間的位相差2sin)1(41220RRIIR可見，當 一定時，干涉光強隨 而變，當 時，干涉光強有最大值 ，當 時，干涉光強有最小值 。 透射的干涉光強最大與最小之比為 。可見， 越大，干涉光強變化愈顯著，分辨率愈高，這是此技術的最大特點，它是最靈敏的位移測量裝置。Rm2 ,4 ,2 , 00I) 12(5 ,