光纤传感中光脉冲调制技术教学讨论

周正仙　周瑞　袁扬胜

摘要：光脉冲调制技术是光纤传感教学和研究中的一个重要的技术点。本文从不同的角度介绍了光脉冲调制技术。首先介绍了几种典型的光脉冲调制技术，其次介绍光脉冲调制系统的结构，最后介绍光脉冲参数的分析和优化方法。教学过程采用理论与实际相结合的方法，开拓了学生的视野，提高学生学习过程的积极性。

关键词：光脉冲；调制技术；光纤传感

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）17-0100-02

一、几种典型的光脉冲调制技术

1.电光脉冲调制技术。当电压加到晶体上时，晶体的折射率将发生变化，晶体的这种特性称为电光效应。当晶体的折射率与外加电场的幅度成线性变化时，此时电光效应就是线性电光效应。电光脉冲调制，就是基于线性电光效应的一种强度调制技术。常用的电光调制器结构是基于马赫曾德干涉原理的调制器，该技术已广泛应用于通信系统中。根据其所使用的衬底材料，又分为LN-MZ（LiNbO3-MZ）调制器、GaAs-MZ调制器和聚合物-MZ调制器。在铌酸锂电光晶体衬底材料上采用钛扩散技术形成波导构成马赫曾德干涉仪。输入光束被均匀地分配到马赫曾德干涉仪的两个干涉臂上，然后在输出端重新合并形成干涉，光在两个干涉臂上的传输距离相同。当电极上不加电压时，两个干涉臂上传播的光的相位不发生变化，则在输出端以同相位相加产生相长干涉，此时输出的光功率最大。当电极上加上一个合适的电压时，则波导的折射率发生变化，致使两个干涉臂上传播的光之间产生180°的相位差，此时输出端产生相消干涉，使得输出的光功率最小。电光调制器由于存在着自然双折射引起的相位延迟，且随温度的漂移而改变，往往使得被调制波形发生畸变，严重时会使调制器不能正常工作。

2.磁光脉冲调制技术。磁光调制技术是基于某些晶体在外加电场、磁场作用下，其偏振特性发生变化的特点来实现光脉冲调制的。法拉第磁光效应：当线性偏振光在磁光介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一个强磁场，则光的偏振方向将发生偏转。偏转角度与磁感应强度和光穿越介质的长度的乘积成正比，即：

上式中，V：为费尔德常数，B：为磁感应强度，d：为光穿越介质的长度，V：与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向。

磁光调制器由起偏器、磁光介质、检偏器和磁场产生单元组成。起偏器的偏振方向和检偏器的偏振方向相互垂直，起偏器的偏振方向为垂直方向，检偏器的偏振方向为水平方向。入射光信号经过起偏器后变成垂直偏振的线性偏振光。此时，若磁光介质周围不加调制信号，则光在介质中传播不受磁场作用，光传播到检偏器时保持垂直的偏振方向。由于检偏器的偏振方向为水平方向，因此光不能通过检偏器，无光信号输出。当在磁光介质加上一定的磁场强度时，光在介质中传播受到磁场作用产生磁光偏转。设计合适的磁感应强度和磁光介质长度，使得光信号的偏振方向发生90°的偏转，正好和检偏器的偏振方向一致，输出光信号功率最大。利用上述磁光效应，就可以实现脉冲光的调制。由于磁光材料透明波段的限制，磁光调制技术主要用于红外光波段。

3.声光调制技术。声光调制技术的物理基础是声光效应，声光效应是指光波在介质中传播时被超声波场衍射或散射的现象。当超声波在介质中传播时，由于超声波的弹性效应，使得介质中产生了弹性应变。介质弹性应变是随时间和空间周期变化的，从而使得介质中各点的折射率也发生周期性的变化。介质折射率的周期性变化将导致介质中形成折射率光栅，光波在介质中传播时就会发生衍射现象。衍射光的强度、频率和方向等将随着超声波场强的变化而变化。声光调制器主要由声波吸收器、声光介质、换能器和调制源组成。调制源用已产生的调制信号施加于电声换能器的两端电极上，驱动电声换能器将电功率转化成超声功率。当入射射频信号引起超声波功率变化时，确定角度的衍射光的强度也会发生相应的变化，从而实现了脉冲光的调制。声光调制具有驱动功率低、光损耗小、消光比高等优点，非常适合应用于光纤传感系统中，实现高质量的光脉冲调制。

二、光脉冲调制系统的结构

由于光纤传感系统对脉冲的参数有着很高的要求，因此大多数应用情况下光纤传感系统都采用声光调试技术对光信号的脉冲调制，实现一定频率、一定脉宽的脉冲光输出。声光脉冲调制系统由信号发生器、射频驱动器、声光调制器组成。信号发生器产生一定宽度、一定频率的周期性的电脉冲信号。电脉冲信号输入到射频驱动器中，驱使射频驱动器产生一定宽度、一定频率的周期性的射频脉冲信号。通过射频驱动器输出的射频脉冲信号对声光调制器进行驱动，形成光路的周期性的通断。连续光输入声光调制器后，就会被声光调制器调制成一定宽度、一定频率的周期性的脉冲光信号输出。

三、脉冲参数的设计和优化方法

（一）光脉冲参数的分析

光脉冲的参数主要有：脉冲宽度、脉冲峰值功率、脉冲周期、脉冲上升时间、脉冲下降时间等。

1.脉冲宽度。脉冲宽度是指脉冲有效的持续时间，一般定义为脉冲功率降低为峰值功率一半时所对应的脉冲持续时间。

2.脉冲峰值功率脉冲峰值功率是指脉冲最高值所对应的功率。

3.脉冲周期。脉冲周期是指相邻两个脉冲之间的时间间隔。

4.脉冲上升时间。脉冲上升时间是指脉冲功率从10%峰值功率变化到90%峰值功率所持续的时间。

5.脉冲下降时间。脉冲上升时间是指脉冲功率从90%峰值功率变化到10%峰值功率所持续的时间。

（二）光脉冲参数的优化方法

脉冲的宽度、峰值功率、周期、上升时间、下降时间等参数对光纤传感系统的性能会造成一定的影响。在光纤传感系统中，这些参数对系统性能的影响主要如下：

1.脉冲宽度对系统性能的影响。脉冲的宽度参数会影响系统的空间分辨率和定位精度，系统的空间分辨率与脉冲宽度之间的关系如下：endprint

上式中：SR：为空间分辨率，B：为光脉冲的宽度，V：为光在光纤中的传播速度。从上式可以得出，系统的空间分辨率的大小与光脉冲的宽度和光在光纤中传播速度的乘积成正比。对于特定的单模光纤，光在光纤中的传播速度为一个确定的常数。因此，系统的空间分辨率只受光脉冲的宽度影响，系统的空间分辨率与光脉冲的宽度成正比。此外，由于同一个光脉冲持续时间内的光信号都会产生干涉效应，因此会造成系统对事件的定位在同一个脉冲内的不确定性。因此，系统的定位精度将受到光脉冲的宽度的影响，光脉冲的宽度越大，系统的定位误差就越大。

2.脉冲峰值功率对系统性能的影响。在光纤传感系统中，为了获得很好的后向散射效果，我们必须注入高峰值功率的脉冲光信号。通过提高脉冲光的峰值功率来补偿由于光纤衰减造成的脉冲功率损耗，使得脉冲光到达光纤的末端位置时仍然保持足够的峰值功率。这样就能提高系统末端后向散射的效果，提高系统末端的信噪比，从而也延长了系统的测量距离。但是，脉冲峰值功率过高会产生一些非线性效应现象，如会产生受激瑞利散射现象和受激拉曼散射现象，这些受激散射光会对系统的测量性能产生影响。因此，光脉冲的峰值功率应保持在一定的值范围内。系统的测量距离可以通过加宽光脉冲宽度来实现。

（三）脉冲周期对系统性能的影响

在光纤传感系统中，同一个位置点产生的信号是随时间变化的波形，光纤传感系统就是通过连续的脉冲对波形进行采样实现测量。因此，脉冲周期越小对波形的采样率就越高，就能够更精确地还原波形。但是，脉冲周期的缩短将缩短系统的测量距离。由于光纤传感系统中，光在光纤中传播需要时间，对后向散射光信号的采集和传输也需要时间。脉冲的间隔时间就是用来留给光在光纤中传播和数据采集传输用的，系统的测量距离与脉冲间隔之间的关系为：

上式中：D：为系统的测量距离，T：为光脉冲间隔，V：为光在光纤中的传播速度，根据上式，0.5ms的光脉冲间隔最大能实现50公里的测量距离。对应的脉冲对事件的采样频率为2kHz。在实际应用中，可以根据系统需要达到大最大测量距离来优化光脉冲间隔。若要实现45公里的测量距离则光脉冲的宽度为0.5ms。

（四）脉冲上升和下降时间

脉冲的上升和下降时间将影响光脉冲的宽度，进而对系统的空间分辨率和系统的定位精度产生影响。因此，在实际应用中应选择较小的上升和下降时间的光脉冲调制器。

参考文献：

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