【正文】 感謝我的爸爸，這些年來，你默默的為了我付出了所有，我找不到任何一個來形容你對我的愛，也沒有任何一個詞語可以形容。致謝 本次論文已經(jīng)接近了尾聲，前后忙碌著也有半年的時間了，由于經(jīng)驗和知識的疏淺，論文中有很多問題都是我自己無法發(fā)現(xiàn)的，好在有余先倫老師的指導(dǎo)，讓我在這次論文中沒有在茫茫的知識海洋中迷失方向，知道了自己要做什么，怎么做，用那些知識去做，然后就是我們寢室這些一起奮戰(zhàn)的室友了，雖然絕大部分時間你們都是以損友的身份存在，但絕大部分時間也是你們，在關(guān)鍵的問題中提醒、幫助了我。以光纖相位檢測為例介紹了光子晶體光纖中的檢測系統(tǒng)，詳細的介紹了邁克爾遜干涉儀在檢測系統(tǒng)中的工作原理，用強度調(diào)制的方法分析了PCF傳感器中的解碼系統(tǒng)。隨著ADC技術(shù)的不斷發(fā)展, 新型的高性能ADC必將不斷涌現(xiàn)。這些值在數(shù)字部分的數(shù)字累加器中進行累加, 并在時鐘電路控制下每隔個采樣時鐘讀出累加器的累加值, 經(jīng)編碼電路轉(zhuǎn)換后, 由輸出電路輸出。虛線框內(nèi)是調(diào)制器, 它由一個積分器、比較器和1位DAC構(gòu)成的閉環(huán)反饋回路組成, 時鐘控制電路、累加器和編碼輸出等部分組成了數(shù)字濾波和采樣電路。隨著超大規(guī)模集成電路制造水平的提高, 近年來推出了一種高精度、高速度而成本低的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。圖55 多次雙積分轉(zhuǎn)換波形可以證明, 次雙重積分A/D轉(zhuǎn)換的誤差僅為單次雙積分轉(zhuǎn)換誤差的1/。為此, 可采用多次雙積分A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)。故模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,值越大則分辨率越高, 精度相應(yīng)提高。（a）（b）圖54 積分式A/D轉(zhuǎn)換器原理圖轉(zhuǎn)換周期由兩個單獨的積分區(qū)間組成。若，則去碼,該位數(shù)碼為0。D/A轉(zhuǎn)換采用逐次加碼比較的方法來實現(xiàn)。根據(jù)數(shù)字電路原理，其放大關(guān)系可表示為：圖45 輸出信號中間放大電路 （410）在PCF 壓力傳感器檢測系統(tǒng)中，光電探測器輸出電信號通過雙運放差動前置輸入放大電路和中間放大電路放大后，輸出電流就可以從微安量級達到毫安量級以上，并且輸出信號盡可能與原始信號保持一致性。④運放的輸入失調(diào)電壓導(dǎo)致的誤差也可通過調(diào)節(jié)Vr進行抵消。圖44 雙運放差動前置輸入放大電路在圖44中， V＋和V－為放大器差動高阻輸入， 是InGaAs/InP－APD 光電探測器輸出電信號，Vr是基準(zhǔn)電壓或偏置輸入，V0為輸出信號。在放大電路系統(tǒng)中需要解決： ①確定檢測電路的動態(tài)工作狀態(tài)，使在交變光信號作用下能獲得非線性失真最小的電信號輸出。因此，通過對光脈沖光強信號的檢測可以檢測出外界環(huán)境壓力的變化。這是由于對比度的降低，而它的降低又是因為連續(xù)傳感元件的角程差衰減（177。為了讓電子元件產(chǎn)生數(shù)字脈沖，干涉信號的振幅必須比平均強度大10%.要達到這個要求，必須滿足下列條件： （45）由x和y偏振模產(chǎn)生的光路徑延遲可以表示為： （46）在這個式子中，△R0s是x=0時的初始光路徑延遲，△Rxs是由應(yīng)用的被測量引起的額外的光路徑延遲。這就能夠測量傳感器件上的外部參數(shù)引入的快速相移，其分辨力為干涉邊緣的八分之一。角變化，對應(yīng)著干涉帶的1/8。干涉現(xiàn)象中以在探測信道中得以觀察，條件是待測傳感器引入的總的光路徑延遲能夠通過石英補償板引入的光路徑延遲得到補償。下面先簡單介紹一下強度調(diào)制光纖傳感器的基本原理。圖42表示邁克爾遜全光纖干涉儀的結(jié)構(gòu)。兩相干光的相位差為 （42）式中，是光在空氣中的傳播常數(shù)；2是兩相干光的光程差。固定反射鏡激光器傳感器光探測器圖42 邁克爾遜干涉儀原理圖激光器輸出的單色光由分束器分成光強相等的兩束光。如果其中一束光的相位由于某種因素的影響受到調(diào)制，則在干涉域中產(chǎn)生干涉。對于一個相位調(diào)制干涉型光纖傳感器，敏感光纖盒干涉儀缺一不可。因此，光調(diào)制技術(shù)是光纖傳感器的核心技術(shù)。但是由圖發(fā)現(xiàn)當(dāng)= 2. 4 時出現(xiàn)單一模式, 損耗較小,利于PCF 的傳輸。從圖中可以看到光子晶體光纖k 波矢量與頻率的變化關(guān)系呈線性變化。數(shù)值模擬上述方程即可得到光子晶體光纖的色散特性。 （35） 式中: ——晶格周期。 A 和B —— 系數(shù)。 —— 介電常數(shù)。由Maxwell 方程組得到光子晶體光纖傳播方程如下: （31） （32）通過解方程(31) 和(32) , 經(jīng)過一系列的變化得到本征方程(33) 和(34) , （33） （34）公式(41) —(44) 中: E —— 電場。 排列不對稱的氣孔也可以產(chǎn)生很大的雙折射效應(yīng), 這些特點使其迅速成為全世界光通信和光電子學(xué)領(lǐng)域科學(xué)家關(guān)注的前沿?zé)狳c。3 光信號在光子晶體光纖的傳輸特性光子晶體光纖( PCF) 又被稱為微結(jié)構(gòu)光纖, 近年來引起廣泛關(guān)注, 它的橫截面上有較復(fù)雜的折射率分布, 通常含有不同排列形式的氣孔, 這些氣孔的尺度與光波波長大致在同一量級且貫穿器件的整個長度, 光波可以被限制在光纖芯區(qū)傳播。PCF壓力傳感器系統(tǒng)的光源可采用Nd3+ : YAG 固體激光器或光纖激光器， 其發(fā)出的激光信號經(jīng)過耦合器進入傳感器敏感元件PCF, PCF 壓力傳感器輸出的光信號經(jīng)過光電探測系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電信號， 電信號經(jīng)放大濾波后由計算機檢測處理。在PCF 壓力傳感器系統(tǒng)中， 敏感元件采用折射率引導(dǎo)型PCF, 根據(jù)光波導(dǎo)理論， 光脈沖在PCF 中傳播距離L 后的相位延遲量為：， （27）　式中， L 為PCF 的長度； n為纖芯折射率分布； 為光波在光纖中的傳播波長。設(shè)PCF 傳感器中敏感元件PCF 所處的外界壓力場的壓力為f , PCF 纖芯直徑為d, 敏感元件PCF的長度為L , 外部壓力作用于敏感元件PCF 的示意圖如圖23所示圖23 外部壓力作用于敏感元件PCF 的示意圖根據(jù)彈性力學(xué)理論， 在外界壓力作用下， PCF纖芯的3 個方向均會產(chǎn)生應(yīng)力， 其應(yīng)力可表示為： （23）根據(jù)彈光理論， PCF 中某點的應(yīng)力與產(chǎn)生的應(yīng)變滿足以下關(guān)系式： （24）式中， Ci, j 是PCF 的彈性系數(shù)。δz ]。在空芯 PCF中形成周期性的缺陷是空氣,空氣芯折射率比包層石英玻璃低 ,但仍能保證光不折射出去 ,這是因為包層中的小孔點陣構(gòu)成光子晶體。根據(jù)纖芯引入缺陷態(tài)的不同 , PCF導(dǎo)光機理可以分為兩類:全內(nèi)反射型和光子帶隙型。能量處在光子帶隙內(nèi)的光子，不能進入該晶體。頻率落在禁帶中的光或電磁波是被嚴格禁止傳播的。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細、質(zhì)軟、重量輕的機械性能；絕緣、無感應(yīng)的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達不到的地方（如高溫區(qū)），或者對人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。這些光纖（PBGPCF）表現(xiàn)出可觀的性能，其中最重要的是能力控制和引導(dǎo)光束在具有比包層折射率低的芯層內(nèi)傳播。第一種光纖具有高折射率芯層（一般是固體硅），并被二維光子晶體包層所包圍的結(jié)構(gòu)。光子晶體(又稱光子禁帶材料)的出現(xiàn)，使人們操縱和控制光子的夢想成為可能。與半導(dǎo)體晶格對電子波函數(shù)的調(diào)制相類似，光子帶隙材料能夠調(diào)制具有相應(yīng)波長的電磁波當(dāng)電磁波在光子帶隙材料中傳播時，由于存在布拉格散射而受到調(diào)制，電磁波能量形成能帶結(jié)構(gòu)。 PCF 壓力傳感基本原理 4 PCF 壓力傳感器系統(tǒng)組成 63 光信號在光子晶體光纖的傳輸特性 7 理論和計算方法 8 數(shù)值模擬與結(jié)果分析 9　PCF 模型及其纖芯傳播模式 9　PCF 參數(shù)對其傳輸特性的影響 94 信號檢測、解碼及放大系統(tǒng) 10 信號檢測 10 光子晶體光纖傳感器檢測原理 10 光信號調(diào)制 10 PCF壓力傳感器輸出信號解碼方案 12 信號放大電路與信號處理系統(tǒng) 145 A/D轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)方法 15 A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理 15 A/D轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)方法 17 逐次逼進式, 新轉(zhuǎn)換技術(shù) 17 積分式A/D轉(zhuǎn)換技術(shù) 18 模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù) 20 各種智能