【文章內(nèi)容簡介】 光纖傳感是 20世紀 70年代伴隨著光纖通信迅速發(fā)展起來的一種嶄新的傳感技術。它以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，實現(xiàn)被測量信號的感知和傳輸 [36]。從本質(zhì)上講，光纖傳感就是利用外界信號對光纖中傳播的光進行調(diào)制 [23]。 光纖傳感系統(tǒng) 光纖傳感系統(tǒng)概述 光纖傳感是以光為載體、光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界信號的傳感技術 [51]。光纖傳感的基本原理是光纖中的光波參數(shù)如光強 I、頻率 ω 、波長 λ 、相位 Φ 以及偏振態(tài)等隨外界參數(shù)的變化而變化， 通過檢測光纖中光波參數(shù)的變化而達到檢測外界被測物理量的目的 [52]。 光纖傳感系統(tǒng)一般包括光源、光纖、傳感頭、光探測器和信號處理電路等。光源相當于一個信號源，負責信號的發(fā)射；光纖是傳輸媒質(zhì)，負責信號的傳輸；傳感頭感知外界信息，相當于調(diào)制器；光探測器負責信號轉(zhuǎn)換，將光纖送來的光信號轉(zhuǎn)換成電信號；信號處理電路的功能是還原外界信息，相當于解調(diào)器、調(diào)制和解調(diào)是光纖傳感技術研究的主要內(nèi)容 [53]。 系統(tǒng)結(jié)構圖如圖 所示。 圖 光纖傳感系統(tǒng)結(jié)構框圖 光源發(fā)出的光耦合進光纖，經(jīng)光纖進入調(diào)制區(qū) （ 測量區(qū) ），在調(diào)制區(qū)內(nèi)外界被測參數(shù)作用于進入調(diào)制區(qū)內(nèi)的光信號， 使其光學性質(zhì)如光的強度、波長、頻率、相位偏振態(tài)等發(fā)生變化成為被調(diào)制的信號光 ； 再經(jīng)過光纖送入光 探 測器，光 探 測器對進來的光信號進行 光電 轉(zhuǎn)換，輸出電信號 ； 最后對電信號進行信號處理而得到可用信號，從而獲得被測參數(shù)。 光纖傳感器 可以測量的環(huán)境參量主要有應力、溫度、振動、化學濃度及電磁場等等。 光纖傳感 系統(tǒng) 從原理上講，就是 ： 發(fā)出光信號 — 調(diào)制 — 傳輸 — 接收光信號 — 電信號，從而實現(xiàn)檢測功能 [54]。 可用信號 被測量 光纖 電信號 光纖 光 源 傳感頭 光探測器 信號處理 清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 8 頁 共 49 頁 光纖傳感 系統(tǒng) 突出的優(yōu)點是光信號不僅能直接感知，而且還可以利用半導體二極管，進行光電轉(zhuǎn)換，還具有靈敏度高、可靠性好、體積小、重量輕、原材料硅資源豐富、抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高壓、電絕緣性能好、可撓曲、防爆、頻帶寬、損耗低等特點。同時，它還便于與計算機相連， 以 實現(xiàn)智能化和遠距離監(jiān)控 [20]。 光纖傳感光源 在光纖傳感系統(tǒng)中，所選光源的類型很大程度上決定了傳感器的工作模式、信號處理方法、分辨率、靈敏度及解調(diào)精度，因而選擇合適的光源對光纖傳感系統(tǒng)的設計起著重要的作用 [55]。光纖傳感用光源必須滿足如下原則 [56]： （ 1） 光源的激射波長必須在傳輸光纖的低損耗窗口波段： （ 通常稱作短波長波段 ） 、 和 波段 （ 通常將 和 稱為長波長波段 ）； （ 2） 光源的發(fā)射功率要大； （ 3）調(diào)制特性和發(fā)光 /消光（響應速度）特性要好； （ 4）可靠性要高，壽命要長； （ 5）光源必須輕巧，適應振動、溫度、濕度等環(huán)境變化； （ 6） 能批量生產(chǎn)，價格便宜。 目前光纖傳感系統(tǒng)中常用的光源主要有半導體激光器 （ Laser Diode， LD） 、半導體發(fā)光二極管 （ Light Emitting Diode， LED） 、放大自發(fā)輻射 （ Amplified Spontaneous Emission， ASE） 光源和分布式反饋 （ Distributed FeedBack， DFB） 激光器等 [57]。其中半導體激光器 LD（ Laser Diode） 和半導體發(fā)光二極管 LED 是 使用最多也是最重要的光源。其主要優(yōu)點是體積小、重量輕、可靠性高、使用壽命長、供電電源簡單 、 易于控制調(diào)節(jié) 、 發(fā)光亮度和發(fā)光效率高， 并 且抗沖擊、耐振動、工作電壓低、耗電小、單色性好、能在環(huán)境惡劣的條件下使用 。它與光纖的特點相容，因此，在光纖傳感器和光纖通信中得到廣泛應用 [58,59]。 DFB激光器 DFB 激光器由于其輸出 激光的線寬窄、凋啾小、動態(tài)特性好、單縱模特性好、可輸出特定波長、 易規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點 [60,61]， 成為目前實用光纖傳感系統(tǒng)中優(yōu)選的理想光源 [62]。 DFB 激光器簡介 分布反饋式（ Distributed Feedback， DFB）半導體激光器（ DFBLD）與普通半導體激光器的區(qū)別在于 DFB 激光器不是由激光器端面的集中反射提供，而是由內(nèi)藏布拉格清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 9 頁 共 49 頁 光柵來實現(xiàn)光的反饋。由于 DFB 激光器的光柵分布在整個諧振腔中，所以稱之為分布反饋 [63]。 DFB 激光器是在有源區(qū)或鄰近波導層上刻蝕所需的周期波紋光柵而構成的， DFB 激光器的激光振蕩是由光柵形成的光耦合來提供，其基本原理是布拉格反射原理，當電流注入激光器后，有源區(qū)內(nèi)電子 空穴復合，輻射出相應能量的光子，這些光子將受到有源層表面每一 個光柵的反射 [64]。 有源區(qū)內(nèi)周期性波紋的周期即布拉格光柵的柵距為 ，只要用泵浦 （ 光泵浦或電泵浦 ） 激發(fā)，形成足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，則介質(zhì)就具備了增益條件，如果波紋深度滿足一定要求，兩端就可以得到激光輸出，所發(fā)射的激光波長滿足： （ 式 ） 這種激光器的工作原理并不復雜，是熟知的布拉格散射原理。當一束入射角為 的光波照射到一個周期變化的波紋結(jié)構上時，入射光波被周期性波紋結(jié)構所散射，這些散射波相互之間有一定相位關系，只有那些出射方向的角度滿足下列關系時： （ 式） 各散射波才有疊加增強的作用，而在其他方向上的散射波互相抵消。所以，只有在一系列 值上才有反射的光波，這就是所謂的“ Bragg 反射”，此光波的波長稱為布拉格波長，這就是波長的選擇性。把介質(zhì)內(nèi)部由左向右和由右向左傳播的光波看作是 和都為 90186。，這時 （ 式 ）變?yōu)椋?式 ），只有波長滿足 （ 式 ）的光波才被允許在介質(zhì)中來回反射，這種反射不是由某個反射面提供，而是由周期性波紋結(jié)構提供反向行進的兩列光波的相互耦合，耦合的程度由周期性調(diào)制的調(diào)制深度決定。 分布反饋式結(jié)構中的激光振蕩為兩列反向行進的光波，一列向左傳播，另一列朝右傳播 [65]。各光波在有源區(qū)周期性波紋結(jié)構的傳播過程中接收來自反向傳輸光波的布拉格散射光，這樣在波紋結(jié)構上產(chǎn)生了反饋機制，由于波紋結(jié)構具有增益，所以只要有足夠的反饋，就能產(chǎn)生激光振蕩，此激射光波的波長正好在布拉格波長處。由于布拉格效應能對波長進行選擇， 因此這種分布反饋式結(jié)構不但緊湊而且有高度的光譜選擇性。 DFB 激光器的主要優(yōu)點包括 ： 由于只存在一個縱模 （ 主模 ） ，其他邊模都被抑制了，清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 10 頁 共 49 頁 所以 DFB 激光器 的線寬主要由主模的線寬決定，比多模激光器的線寬要窄的多，發(fā)光功率較高。這種線寬很窄的激光器尤其適用于高速率、高功率預算系統(tǒng)的應用。另外，由于光柵的穩(wěn)定性好， DFB 激光器輸出功率的線性較好，這對于多路信號的傳輸效果較好，因為可以減少傳輸過程中的互調(diào)干擾。 DFB 激光器的性能穩(wěn)定，很少受時間和外部環(huán)境的影響 [66]。 DFBLD與普通半導體激光器一樣，是靠電流泵浦的。改變光柵區(qū)的偏置電流值，可以改變折射率進而改變布拉格波長，最終改變激射波長。所以， DFBLD 的波長是可變的 [67]。 波長調(diào)諧 波長可調(diào)諧半導體激光器從 20 世紀 80 年代起開發(fā)就很活躍，按調(diào)諧機理劃分，有電調(diào)諧、熱調(diào)諧和機械調(diào)諧三大類 [68]。 半導體激光器的波長調(diào)諧基本原理是用各種方式引起禁帶寬度發(fā)生變化，從而實現(xiàn)輸出光波長的調(diào)諧 [69]。 半導體激光器與其它傳統(tǒng)激光器相比，激光二極管的輸出光功率和頻率受溫度和注入電流的影響顯著。因此激光二極管的波長調(diào)諧可采用溫度調(diào)諧和注 入 電流調(diào)諧 [70]。 波長可調(diào)諧激光器一般主要由三個基本部分組成：具有有源增益區(qū)和諧振腔的二極管激光器；改變和選擇波長的可調(diào)裝置；穩(wěn)定輸出波長的裝置（波長鎖定器或標準具）。波長可調(diào)諧半導體激光器是在 DFB 激光器基礎上發(fā)展的。 DFB 激光器具有較好的穩(wěn)定性、良好的光譜和噪聲特性以及快速頻響特性，并有較好的功率輸出，成本低，技術成熟 [71]。 波長可調(diào)諧是指激光器波長在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。目前波長調(diào)諧主要基于布拉格反射光柵，通常通過改變溫度、注入電流等方法，改變光柵的有效折射率，從而改變光柵的布拉格波長。 電流調(diào)諧是通過改變不同位置的 光纖光柵和相位控制部分的注入電流，使光纖光柵的相對折射率發(fā)生變化，產(chǎn)生不同的光譜，實現(xiàn)波長的調(diào)諧，調(diào)諧速度為 ms 級，調(diào)諧帶寬較窄、但輸出功率較小，主要有多電極 DFB 激光器，波長可調(diào)范圍一般都可達到510nm[72]。 電流 調(diào)諧機理可以解釋為 ： 注入電流的變化引起載流子濃度改變 ，而 載流子濃度的變化不但會引起材料折射率的改變 ， 而且會改變增益系數(shù) ；由于 半導體激光器的發(fā)射波長既與增益系數(shù)有依賴關系 ， 又受折射率變化的影響 ，從而 實現(xiàn) 了波長調(diào)諧。 熱調(diào)諧 是 通過調(diào)整 DFB 激光器腔內(nèi)溫度，改變有源區(qū)折射率來改變波長。 一般采用清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 11 頁 共 49 頁 熱電冷卻器（ TEC）來保證波長的精度，技術簡單。 一般來說 ，激光二極管 的波長 溫度曲線有很好的線性 ， 能夠通過溫度的改變精確地控制波長 ， 但是溫度調(diào)制速度較慢 [73]。 在半導體中 ， 溫度和能隙之間存在著依賴關系 ，有 以下經(jīng)驗公式 [74]： (式 ) 式中 ， 為絕對零度時的能隙 ， 和 為經(jīng)驗參量 ， 能隙的變化又引起波長的變化 ，如式 所示： (式 ) 所以通過控制有源區(qū)的溫度 ， 可以改變半導體激光器有源區(qū)的能隙 ， 從而使激光器的波長得到調(diào)諧。 激光控制器 隨著技術的進步、工藝水平的提高和計算機技術在光纖傳感系統(tǒng)中的應用，光纖傳感系統(tǒng)的可靠性不斷提高。 在半導體激光器作為光源的系統(tǒng)中，對激光器工作的準確度、可靠性以及溫度 控制的 精確度的要求也越來越高，人們采用大規(guī)模集成電路技術研制出了半導體激光器的專用驅(qū)動器和溫度控制器 [75]，并結(jié)合 接口電路 、保護電路以及顯示控制對激光器的工作進行監(jiān)控。繼而形成了專用的激光控制器，用來測試和控制激光二極管，以保證激光器穩(wěn)定工作。 目前，已經(jīng)有一些商業(yè)化的激光控制器被應用到光纖傳感中。 激光控制器簡介 半導體激光器對工作條件要求苛刻， 瞬態(tài)電 流或電壓尖峰等許多因素都很容易損壞激光器，會造成性能的急劇惡化， 電流、溫度的起伏會引起光功率的變化，影響輸出的準確、穩(wěn)定。驅(qū)動電流的波動，不僅會引起激光器的激光強度噪聲，還會造成輸出波長光譜線寬的展寬。 而 溫度 的改變，不僅會造成 半導體激光器二極管 輸出波長的不穩(wěn)定，還會 引起輸出功率產(chǎn)生波動，同時會影響激光器的使用壽命。所以需要對激光器的工作進行監(jiān)控。 對激光器的保護措施要足夠完備，因為 在 一些電學瞬變 的 過程，如電源的瞬間啟動、電源的電涌、 AC電路的輻射等，都會引起激光器的性能變差，甚至損壞器件 ，所以 激光控制器通過外加元件構成了激光器的保護電路 。 它不僅能夠為半導體激光器提供穩(wěn)定的輸出，而且還對半導體激光器提供更加可靠、有效的保護 [76]。 清華 大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 12 頁 共 49 頁 半導體激光器控制器 通常包括 兩大部分：驅(qū)動部分和恒溫控制部分 。 驅(qū)動部分又包括恒流驅(qū)動、恒功率驅(qū)動和調(diào)制驅(qū)動，以及保護電路。恒流驅(qū)動通過外圍設置提供恒定的直流電流、恒功率驅(qū)動通過 PD 檢測到驅(qū)動電流的變 化來調(diào)節(jié)驅(qū)動電流，達到恒定光功率輸出、調(diào)制驅(qū)動通過外接調(diào)制信號， 使半導體激光器輸出調(diào)制的光信號。恒溫控制電路通過監(jiān)測激光器表面的熱敏電阻的阻值變化來獲取溫度的變化，然后通過半導體熱電制冷器對半導體激光器進行制冷或加熱，從而實現(xiàn)半導體激光器溫度控制 [77,78,79]。 ITC4001 激光控制器 ITC4001激光控制器 是美國 Thorlabs公司 ITC4000系 列的激光二極管 /溫度控制器。ITC4001 激光控制器包括一個激光二極管電流控制器加上一個 TEC 元件控制器。從本質(zhì)上講，這是 LDC4000 系列電流控制器和一個 TED4015 溫度控制器的組合。它旨在為激光二極管提供一個精確穩(wěn)定的電流，其注入電流為 1安至 20安，并具有 24小時內(nèi) 攝氏度 的優(yōu)異溫度穩(wěn)定性。它支持所有的激光二極管和監(jiān)測二極管引腳配置 ，并且 可使用大多數(shù)常用的溫度傳感器 。 ITC4001 激光控制器 的 激光二極管可用兩種模式驅(qū)動：恒電流（ CC）模式，其激光電流可精確保持在用戶調(diào)節(jié)的水平；或恒功率（ CP）模式，此模式下光學功率傳感器用于監(jiān)測激光器的輸出功率以進行主動功率控制。當需要最低噪聲和最高響應速度時，應選擇 CC模式，但這種模式一般也要求溫度穩(wěn)定。在 CP 模式下，來自集成到大多數(shù)激光二極管封裝的內(nèi)部光電二極管，或外部光電二極管的反饋用于主動穩(wěn)定激光 器的輸出功率。 ITC4001 激光控制器具有 增強的激光二極管保護功能 。 精密可調(diào)節(jié)的電流限制確保了最大激光器電流不會超出。 Th