一种简单的光纤光栅电调谐方法
光纤光栅解调仪电路原理
光纤光栅解调仪电路原理
光纤光栅解调仪电路原理简介：
光纤光栅解调仪是一种利用光纤光栅进行传感和测量的装置，它通过对光纤光栅中反射光的监测和处理，实现对物理量的测量和控制。
其核心部件为解调电路，它能够将光栅中反射光的信号转换为电信号，并进行处理，得出要测量的物理量的信息。
光纤光栅解调仪电路原理：
解调电路是光纤光栅解调仪中最为关键的部分，它的主要功能是将由光纤光栅反射回来的光信号转换成电信号，然后进行信号处理。
光纤光栅解调电路的主要原理如下：
1. 信号检测。
光纤光栅中反射回来的光信号，由光电探测器（PD）转换为电信号，电信号经过放大电路（LNA）进行放
大和滤波，提高信号质量和可靠性，去除杂音和干扰；
2. 信号解调。
解调电路可以将被调制的信号分离成两个部分，即参考信号和调制信息。
通过平衡电路（Balun）以及锁相放
大器（PLL）实现参考信号的产生、提取和输出；
3. 信号处理。
经过信号解调后，得到的信号按照一定的算法进行处理，提取出要测量的物理量的信息，例如温度、压力、应力等。
光纤光栅解调电路完整的电路结构一般由以下几部分构成：前
置放大器、滤波器、平衡电路、锁相放大器和信号处理器等。
不同的应用场合和不同的测量目标，会有不同的电路设计和参数选择。
光纤光栅的解调技术
可调谐波长的光纤F a b r y-Perot滤波器检测单个传感光栅的
跟踪模式
（2）声光可调谐滤波器
• 声-光可调谐滤波器（AOTF）是一种由射频（RF）驱动 频率可调谐的固态光滤波器，其中，AOTF的波长调谐范 围可宽至几个毫米，时间响应可小于5kHz，并具有窄的 光谱带宽。该器件可工作于多种模式，如分光计、颤动滤 波器和跟踪滤波器等。若提供覆盖整个工作范围的宽带光 源或光源组，AOTF可应用于大规模光纤Bragg光栅阵列 的波长复用。利用AOTF中不同频率的多射频信号，原理 上可实现多光栅的并行检测。 • 声光可调谐滤波器有两种工作模式，即扫描模式和锁定模 式。在扫描模式中，AOTF受电压控制振荡器（VCO）在 传感波长范围内的调节，来自光栅的功率被记录下来；在 锁定模式中，检测系统采用反馈环来跟踪特定的光栅波长， 如图。 • 频率偏离与滤波传输、光栅反射率和强度噪声无关。该技 术可跟踪多光栅的波长，工作于传输和反射结构。
声-光可调谐滤波器检测传感光栅的原理
4．匹配光栅检测法
在检测端设置一参考光栅，其光栅常数与传感光栅相同。参考光 栅贴于一压电陶瓷片（PZT）上，PZT由一外加扫描电压控制， 如图 。当传感光栅处于自由态时，参考光栅的反射光最强，光 探测器输出信号幅度最高。这时控制扫描信号发生器使之固定输 出为零电平，当传感光栅感应外界温度和应变时，发生移位，使 参考光栅的反射光强下降，信号发生器工作，使参考光栅的输出 重新达到原有值，这时的扫描电压对应一定的外界物理量。
光纤光栅信号解调技术
信号检测是传感系统中的关键技术之一，传感解调系统的实质是一个信 息（能量）转换和传递的检测系统，它能准确、迅速地测量出信号幅度的 大小并无失真地再现被测信号随时间的变化过程，待测信息（动态的或静 态的）不仅要精确地测量其幅值，而且需记录和跟踪其整个变化过程。 从解调的光波信号来看，光纤光栅传感信号的解调方案包括强度解调、 相位解调、频率解调、偏振解调和波长解调等。其中，波长解调技术具有 将感测的信息进行波长编码，中心波长处窄带反射，不必对光纤连接器和 耦合器损耗以及光源输出功率起伏进行补偿等优点，得到了广泛应用。如 图，在传感过程中，光源发出的光波由传输通道经连接器进入传感光栅， 传感光栅在外场（主要是应力和温度）的作用下，对光波进行调制；接着， 带有外场信息的调制光波被传感光栅反射（或透射），由连接器进入接收 通道而被探测器接收解调并输出。由于探测器接收的光谱包含了外场作用 的信息，因而从探测器检测出的光谱分析及相关变化，即可获得外场信息 的细致描述。相比而言，基于反射式的传感解调系统比较容易实现。
光纤光栅信号解调技术光纤光栅传感器复用技术
光纤光栅信号解调技术，光纤光栅传感器复用技术一．光纤光栅信号解调技术信号检测是传感系统中的关键技术之一，传感解调系统的实质是一个信息（能量）转换和传递的检测系统，它能准确、迅速地测量出信号幅度的大小并无失真地再现被测信号随时间的变化过程，待测信息（动态的或静态的）不仅要精确地测量其幅值，而且需记录和跟踪其整个变化过程。
从解调的光波信号来看，光纤光栅传感信号的解调方案包括强度解调、相位解调、频率解调、偏振解调和波长解调等。
其中，波长解调技术具有将感测的信息进行波长编码，中心波长处窄带反射，不必对光纤连接器和耦合器损耗以及光源输出功率起伏进行补偿等优点，得到了广泛应用。
如图1，在传感过程中，光源发出的光波由传输通道经连接器进入传感光栅，传感光栅在外场（主要是应力和温度）的作用下，对光波进行调制；接着，带有外场信息的调制光波被传感光栅反射（或透射），由连接器进入接收通道而被探测器接收解调并输出。
由于探测器接收的光谱包含了外场作用的信息，因而从探测器检测出的光谱分析及相关变化，即可获得外场信息的细致描述。
相比而言，基于反射式的传感解调系统比较容易实现。
图1 光纤光栅传感解调系统由上述可知，光纤光栅传感器的关键技术是测量其波长的移动。
通常测量光波长都是用光谱分析仪，包括单色仪和傅立叶变换光谱仪等。
它的波长测量范围宽，分辨率高，能测量出微小的应变量，用于分布式测量也极为简便，但它体积大，价格昂贵，一般都用于实验室中，不宜实际现场使用。
在实际应用中，还必须利用光纤光栅的优良特性，研发高灵敏度、光能利用率高、稳定性好、性价比高的新型传感解调系统取代实验室中的光谱分析仪，以用于工程结构的现场实测与监控。
目前比较典型的主要有以下几种波长移动检测方案：光谱仪和多波长计检测法，边缘滤波检测法，可调谐滤波检测法，匹配光栅检测法，波长可调谐光源解调法，CCD 分光仪检测法，非平衡M-Z 干涉仪检测法等。
1．光谱仪和多波长计检测法在光纤光栅传感系统中，对波长移位最直接的检测方法是：利用宽带光源（如 发光二极管LED ），输入光纤光栅，再用光谱仪（或多波长计）检测输出光的中心波长移位B λ∆，如图2。
光纤光栅的制备和调制技术
光纤光栅的制备和调制技术光纤光栅是一种利用光纤中周期性介质折射率变化的结构来控制光信号传输的技术。
它在光纤通信、光纤传感、光纤激光等领域具有广泛的应用。
本文将介绍光纤光栅的制备和调制技术，以及相关应用方面的进展。
光纤光栅的制备技术有几种方法，其中最常用的是光纤光栅的曝光和刻蚀技术。
曝光技术通常使用干涉光束将紫外光照射在光纤上，通过控制曝光剂的厚度和光束的强度来控制光栅的周期和折射率的变化。
刻蚀技术则是使用化学蚀刻方法将曝光后的光纤进行刻蚀，使得光栅形成。
另一种制备光纤光栅的技术是使用激光直写技术。
这项技术使用激光脉冲来直接在光纤上写入光栅结构，而无需曝光和刻蚀过程。
激光直写技术可以实现高精度的光栅制备，并且具有快速、灵活，适用于各种光学纤维的优点。
这项技术在光纤光栅的制备方面具有巨大的潜力。
光纤光栅的调制技术是使用外界的物理或化学方法来改变光纤光栅的折射率，从而调节光信号的传输性能。
其中最常用的技术是温度调制技术和机械调制技术。
温度调制技术通过改变光纤的温度来改变光纤光栅的折射率。
光纤材料的折射率会随着温度的变化而变化，通过控制光纤的温度变化，可以对光纤光栅的传输特性进行精确的调节。
这项技术在光纤通信和光纤传感领域得到了广泛应用。
机械调制技术则是通过施加外力来改变光纤光栅的折射率。
通过机械弯曲、机械压力等方式，可以改变光纤中周期性介质的折射率，进而控制光信号的传输。
这种技术在光纤光栅传感器中很常见，可以实现一些光纤传感器的灵敏度和响应速度的调节。
除了制备和调制技术，光纤光栅还有一些应用方面的进展。
例如，光纤光栅在光纤通信中可以用来实现波长多路复用技术，通过控制不同波长的光信号在光纤中的传输，实现在一个光纤中同时传输多个不同波长的信号，提高了光纤通信的传输容量。
在光纤传感方面，光纤光栅可以用来监测和测量光纤周围的物理量，例如温度、应变、压力等。
通过与光纤光栅的相互作用，可以将这些物理量转化为光信号的变化，从而实现对环境的监测和测量。
光纤光栅传感器的调制解调技术
光纤光栅传感器的调制解调技术光纤光栅传感器（Fiber Bragg Grating Sensor，FBG）是一种基于光纤技术的传感器，凭借其卓越的灵敏度、抗电磁干扰能力以及体积小巧的特点，广泛应用于温度、压力和应变等物理量的检测。
光纤光栅的工作原理基于布拉格反射（Bragg Reflection），通过改变光在光纤中的传播特性，实现对外界刺激的响应。
在此基础上，调制解调技术为光纤光栅传感器的信号处理提供了强有力的支持，保证了数据的准确性和可靠性。
1、光纤光栅的基本概念光纤光栅是一种周期性折射率变化的光纤结构，其核心在于对特定波长的光起到反射作用。
当光纤受到外部物理量的变化，如温度升高或压力增大时，光纤光栅的波长会相应发生变化。
这种波长的变化可以通过调制解调技术加以提取，从而获得相关的物理量信息。
2、调制技术光纤光栅传感器中常用的调制技术有相位调制、幅度调制和频率调制等。
其中，幅度调制是最为常见的方式，通过改变信号的振幅来传递信息。
在DK-3716-F050-P光纤光栅传感器的应用中，幅度调制主要体现在将外部物理量变化所导致的反射波长变化信息转化为电信号。
相位调制在光纤光栅传感器中的应用则依赖于光干涉原理，能够有效提高传感器的灵敏度。
这种调制方法适用于对微小变化的高精度测量，例如在结构健康监测中对微小裂缝或变形的检测。
随着技术的发展，频率调制方法逐渐受到重视，这种技术通过改变信号的频率来实现信息的传递，能够在噪声环境下提供更高的抗干扰能力。
3、解调技术解调技术是光纤光栅传感器中必不可少的一环，其主要任务是将调制后的信号转换回可读的物理量。
解调技术的实现方式多种多样，主要有光谱分析法、相位检测法和时域反射法等。
光谱分析法是通过分析光信号的光谱变化来获取传感器所测量的物理量。
该方法的优势在于能够同时获取多个光纤光栅传感器的信号，并且对波长变化的分辨率非常高。
利用光谱分析法，多个光纤光栅传感器可以通过一根光纤同时进行信号探测，适用于大范围的监测需求。
光纤光栅的几种调谐方法
光纤 光 栅 （ Ｂ 是 一 种 光纤 无 源器 件 ， Ｆ Ｇ） 它是 利
用 光 纤 材 料 的光 敏 性 ， 过 紫 外 光 曝光 的方 法 将 人 通 射 光 的 相 干 场 图样 写 人纤 芯 ， 纤 芯 内产 生 折 射率 在 沿 纤 芯 轴 向的 周期 性 变化 ， 而形 成 永 久 性 空 间相 从
（ ｌ ｔｏ ｉ Ｅ ｇｎ ｅ ｉ ｃ ｏ ｌ Ｂ ｉｎ ｉｅ ｓ ｙｏ ｏ ｔ ａ ｄＴｅ ｃ ｍｍｕ ｉ ｔ ｎ ， ｅ ｉ ０ ８ ６ Ｃ ｉａ Ｅ ｅ ｒ ｎｃ ｎ ｉｅ ｒ ｇ Ｓ ｈ ｏ ， ｅ ｉｇＵｎｖ ｒｉ ｆ ｓｓ ｎ ｌ ｏ ｃ ｎ ｊ ｔ Ｐ ｅ ｎｃ ｉ ｓ Ｂ ｉｎ １ ０ ７ ， ｈｎ ） ａｏ ｊｇ
收 稿 日期 ： ０ ２ ０ — ８ ２ ０ —３２
作 者 简 介 ： 雨 （ ６ ）男 ， 西 临 川 人 ， 士 研 究 生 ， 要 研 究 方 向 为 光 Ｃ Ｍ Ａ、 纤 光 栅 和 色 散 补 偿 辛 １７ 一 ， 江 ９ 博 主 Ｄ 光
Ｓ ｖ ｒ ｌ ｔ ｉ ｅ ｈｏ ｓ ｏ ｉ ｅ ｒ ｔｎｇ ｅ ｅ ａ ｕｎ ｎｇ ｍ ｔ ｄ ｆ ｆ ｂ ｒ ｇ ａ ｉ
ＸＩ Ｎ Ｙｕ・ＹＵ Ｃｈ ｎ — ｉ ｏ ｇ ｘｕ・Ｗ Ｕ Ｑｉｎ ａ ｇ，ＸＩ ａ ｇ ｊ ｎ，ＨＵ ｅ ｈ ｉ Ｎ Ｘｉｎ —ｕ Ｌ — ｕ ，ＹＡＯ — ｉ Ｄｅｑ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｓｉ ｕｎｉ ｔ ｏ ｉ ｅ ｒ ｉ ｏｒ ｆｌｅ ｒ ｅ ｅ ｒ ｈｅ ｓ ｒ ｃ ： ｘ ｔ ｎｇ ｍｅ ｈ ｄｓ ｏｆｆｂ ｒ ｇ ａｔｎｇ ｆ ｉｔ ｒ ａ ｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｄ． Ｔｈ ｉ ｕ ｅ ｒ ｆ ｎｄａ ｎｔ ｌ ｍｅ ａ ｐｒｎｃｐｌ ｓ ａ ｅ ａ ｌ ｚ ｄ．Ｔ ｈ ｉ ｅ ｐ ｃ ｉ ｅ ｖｉｔ ｅ ｎ ｈ ｔ ｏｍｉ ｓ ａ ｅ ａ ｓ ｏｍｐａ ｅ ． ｉ ｉ ｅ ｒ ｎａ ｙ ｅ ｅ ｒｒ ｓ ｅ ｔｖ ｒ ｕ ｓ ａ ｄ ｓ ｏｒ ｃ ｎｇ ｒ ｌ ｏ ｃ ｒ ｄ Ｋｅ ｒ ｓ：ｆｂｅ ａ ｉ ｙ ｗｏ ｄ ｉ ｒ ｇｒ ｔｎｇ；ｆｌｅ ｉｔ ｒ；ｔ ｉ ｕｎ ｎｇ
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点 在ｔ 时刻 的温 度 ， Ｐ和 ｒ分别 为 光纤 的热 扩散 系 、 数 ， 度 和热 容 ， 密 ａ为光 纤 的半径 ， 为光纤 散 热部 分 的长度 ． （） Ｐ （） Ｐ ￡ 和 。 ￡ 分别为 电流产 生的热功率 及 光 纤 向外 界耗 散 的热 功率 ．如果 光纤 表 面 的金属 膜 为银 、 或 铝 膜 等 导热 性 很 好 的材 料 并 且厚 度 均 匀 铜 时 ， 因为光 纤很 细 ， 又 我们 可 以近似认 为 光纤 上 受加
Ｐ０ （） ／ ｃｃ。 ｕ ￡］ ｐ７ ｄ
（） ２
式 中 为 沿 光 纤 方 向 上 的 长 度 ， ，） 光 纤 上 某 ７（ ｔ 为
法 ， 用这种 方法对 光栅 的 中心 波长进行 调谐 简单易 用， 调节精度好 ， 效率 高且成本 低 ， 有非常 广阔 的应 具
用前景 ．
金属膜产生 的热功率 Ｐ （） ￡ Ｒ， 中Ｒ 为金属 ￡ 一Ｉ （） 其 膜 的 电 阻 ．光 纤 向 外 界 耗 散 的 热 功 率 Ｐ。 ￡ ＝ （ ） ２ ａｈ ￡ ， 中ｈ为光 纤表面 的热 传导率 将Ｐ （） ￣ ｌＴ（） 其 ￡
和 Ｐ。 （） 入 方 程 （ ） 整 理 后 得 ￡代 ２并
丁 （） Ｉ （ ） ２ｒ ｈ ￡ 一 ｆ Ｒ／ ￣ ｌ ａ （ ３）
之 间的关系可 以表 示为
△ ／ 一（ ｄ＋ ） △丁 （） １
式 中 和 分别 为光纤 的热膨胀 系数 和热光 系数 ， 对 于石 英光 纤来 说 ， ＋ ≈ ６ ８ ０ ／Ｃ．用 真 空蒸 ． Ｘ １ 镀等 方法 在 Ｆ Ｇ 的表 面上 镀一层 金 属薄 膜 ， Ｂ 当薄膜 中有 电流通 过时 ， 电流的热效应使 光栅 的温度 发生变
热 的 一 段 温 度 是 一 致 的 ， ｉ 不 随 变 化 ．电 流 通 过 ｇＴ ｌ
１ 理 论 分 析
在 Ｆ Ｇ 不受应 力作用 的情况 下 ， Ｂ 由于光 纤 的热
光 效应 和 热 膨 胀 效 应 的影 响 ， 环 境 温度 丁 发 生 变 化 在 时 ， 纤 光栅 中 心 反 射 波 长 也 发 生 变 化 ．它 们 相 互 光
一
键 ， 统 的调谐 方法有 机械式 的轴 向拉 伸及压缩 应变 传 调谐 ， 直压 力调谐 和简支梁 调谐 以及 非机械式 的磁 垂
调 谐 和 热 调 谐 等 ．利 用 电流 通 过 覆 盖 在 Ｆ Ｇ 表 面 的 Ｂ 金 属 薄 膜 产 生 的 热 量 来 改 变 光栅 特性 是 ～ 种 新 方
２ １ Ｆ Ｇ 表 面 均 匀 铝 膜 的 制 备 ． Ｂ
・ ￡ 子
ｊ 天
２ ２ ＦＢ 中 心 波 长 调 谐 实 验 ． Ｇ
调 谐 实 验 装 置 如 图 ２所 示 ．实 验 中采 用 由相
Ｆ ＢＧ ｏ ｅ ｅ ｙ ｃ ｖ ｒｄ ｂ
Ｂ ｌ 实验 室 的 Ｒｏ ｅｓ等人 用 电 子束 加 热蒸 发 ｅｌ ｇｒ
收 稿 日 期 ： ０ １ ０ — ２ ０ — ４ １ ６
由式 （ ） 式 （ ） 以看 出 ， ３ 和 １ 可 ＦＢＧ 中 心 波 长 的 变 化 △ 与 流 过 金 属 膜 的 电 流 的平 方 成 正 比 ．
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９８ Ｏ
２ 实验 结 果 及 讨 论
的方法 ， 使光纤在 真空室 中旋转 ， Ｆ Ｇ 的表面镀 并 在 Ｂ
一
层均匀 的 Ａｕ、 合金 膜。 Ｔｉ ．这种方法制 备 的薄 膜均
ｐｒ ｂ ｏｅ ｐｒ ｅ ｏｂ
匀性 较好 ， 且用 金、 而 铂或 铬等 不易在 空 气 中氧化 的 金属成膜 稳定性也 较好 ， 但这样 做较其 它一些成膜 方
度 达 到 ２ １ × １ ｎ ／ ｍＡ ） ． ． ５ ０ ｍ （
关键词 光纤光栅 ； 电流 ； 波长调协 ； 薄膜
０ 引 言
作 为波长 选择 器件 ， 光纤 布 喇格 光栅 （ Ｂ 被 Ｆ Ｇ） 广泛地应 用于光纤 通信 和光纤传感 等领域 ， 如用来 制 作光纤 激光 器 ， 外腔 半 导体激 光器 ， 光波 分插 复用 器 （ ＯＡＤＭ ） 可调 谐 光滤 波 器 和 光 纤 分 布式 传 感 器 ，
等 ． Ｂ 的波 长 调 谐 技 术 是 这 些 应 用 研 究 中 的 关 Ｆ Ｇ
化 ， 而引起 光栅 中心 反射 波长 的 变化 ， 从 可以达 到调
谐 的 目的 。
由于覆 盖在光纤 表 面的金属 膜 的长度 （ ２ｍ ） 约 ｃ 远大 于光纤 的直径 （ ２ ￣ ， 约１ ５ ｍ） 在考 虑光纤上 的热传 导 问题 时可 以将其 简化 为 简单 的一 维 线形 系统 ．这 时光纤 上的热传 导方 程可 以表示 为 ３ ，） ａ ＂ Ｆ（ ￡ ／ｔ一 丁（ ｔ ／ ＋ ［ （） ，） Ｐ ￡
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第３卷 期 １ 第７
子 乍
弘 职
Ａ ＣＴＡ ＰＨＯ ＴＯ Ｎ Ｉ ＣＡ ＳＩ Ｉ Ｎ ＣＡ
一
种 简单 的光纤 光栅 电调谐方 法
（ 开大 学 现 代 光学 研 究 所 ， 南 天津 ３ ０ ７ ） ０ ０ １
Ｅ ｍａｌ ｋ ０ １ ｓｎ ． ｏ ｉ： ｓ ９１ ＠ ｉａ ｃ ｍ
杨 石泉 蒙红云 董 新 永 武 志刚 项 阳 董 孝 义
摘
要
采 用较 简单 的双点源真 空蒸发 法在光栅 外表 面上蒸镀一层 均 匀铝膜 ， 用电流流过铝膜 时产 利
生 的 电 阻 热 改 变 光栅 的 温 度 而使 光 栅 的 中心 波 长 向 长 波 方 向 发 生 改 变 ．光 栅 中 心 波 长 的 变化 与 所 加 电 流 的 平 方 成 正 比 ． 实验 中 用较 小 的 电流 （ ４ ｍ Ａ） 得 了较 大的 波 长 调谐 范 围 （ ４ ｍ ） 其 调 谐 精 约 ３ 获 约 ｎ ，