相位调制型
应力应变效应
通过长L的光纤，出射光 波的相位延迟：
光波在外界因素影响下 的相位变化：
L 2 L
L L L L L n L a
L n
a
应变效应 光弹效应
材料折射率变化与应变 的关系参考书（5-17）
3dB耦合器
τ
Φs(t)
相位3dB耦调合器制型 x1(t)
S(t)
π/2
Φs(t) x2(t) τ
x2(t-τ)
arcsin-1
放大器
探测器
y(t)
d(t)
例：以MZ干涉仪为例
相位压缩原理
调相定制位义普相光源信变相 通位号化位温长信干测的量压度相号涉量的 压相幅缩敏干处仪的干 缩位值系3感长理的相d变为数涉B度电相位耦化为仪合为 相的路位为器的位光复信干差共源杂号涉sπn幅sτm/m2限光同值定束与缺s2相在相t点0位n位线ΦΦss差((tt差性sS))变(ttx)L的范2化(t)围变量 τ幅之化4x值3内量1(dt之B)2n耦比c2合x20L器(t-fτs)L
5.3.2 光纤干涉仪1-2 cond’t
MZ干涉仪的应用例－线性调频外差型干涉仪
固定光程差（～10cm－由光 源线L 宽L决定L） n L D
检测：锁相、比较和计数
L n
D
隔离器 耦合器
耦合器
解决：
条纹高细DBF分困难，导致精度不高折射率变化区 测量灵驱敏动度和精度随光程差改变；
相干条件
干涉的三个必要条件
两叠加光波的位相差固定不变 振动方向相同 频率相同 定义：相干光波、相干光源
补充条件
利用原子发出的同一波列 光程差要小于波列长度
相位调制型
光纤中的相位调制
应力/应变调制 温度调制 可以转化的调制
相位调制型
5.3.1 相位调制机理


干线实涉性现限固项函方制定－数法了的相近：时它间们位似间的差正隔线的弦Ｔ性Py余函(内输Ct) F弦数测出a量范r函cs相围isns数nm-m1位差2d(t)CnL放f大s 器
C 探测器
2 fs
设L＝3km， f在时s＝正间50交间Hz工隔，作tλ可0＝状以1态.从3μ下延m，：时n<光＝0.1纤2.45得6r,aL到d=输2μ入m，相位差１％线性度误差
V1 a b cos 0 c sin 0 V2 2b1 cos 0 V3 a b cos 0 c sin 0
探测器3
外差法
相位调制型
普通外差法
Wout

1
2
W010al
1V
出射光波
5.3 特点
相位调制型
信 Is
号
t
出
射
入
相位调制区
光 波
射
光
波
参考信道
特点：
干涉测量灵敏度高 直接测量物理量：应力（压力10-7Pa）、应变（10-7）、
温度（10-8℃） 、电磁场 多参量同时测量、灵活 需要特殊光纤－单模、保偏、增敏、去敏
相位调制型
相位调制型
*干涉效果的定量表征－条纹的清晰度
相位调制型
Mach-Zehnder干涉仪和Michelson干涉仪 Fabry-Perot干涉仪 Sagnac干涉仪（环形腔） 相位压缩原理与微分干涉仪 白光干涉
干涉测量原理
相位调制型
双光束干涉：
A2 A12 A22 2A1A2cos( )
多光束干涉
I I0
2φ
光强-相移关系
相位调制型
5.3.2 光纤干涉仪3 cont’d
4个问题
互易性与偏振态
同光路：一个耦合器附加光程差
同模式：使用单模光纤
同偏振态：对保偏光纤的需求

偏光置子余与噪玄相声函位数调制近零点（低转速P）D 灵敏12度P很0 (低1
c os )
基本限制影响信•4噪5度比和动态偏置： 寄生效应的影响与消•调除制方法无：转动部件；偏置点稳定
cos0t


0
关键：移频器
合光成源外差法耦合器
+ω0
耦合器
探测器1 解 调 器
避免移频器件的使用相位调制器
探测器2
高频大幅度的正弦信传号感光－纤 控制相位调制器

伪外差法Wout

1 2
W010al
1

V
coss
sinmt

0
d锯iffe齿ren波cebetw调ee制n th激e t光w o器sig的nal工s：作co电s[3流mt ( 0 )]
如果各时刻到达的波列的位相差δ无规则变化，则
接收器1 0只co能s d记 录0 到强I 度a12的 a平22 均I1 值I2
P点是任意的 不发生干涉现象。 如果两光波的位相δ固定不变，则有
1

cos d cos
0
I
I1 I2 2
I1I2 cos
温度应变效应－类似于应力应变效应

T

k0
L
dn dT

n
dL dT

仅考虑径向折射率变化时：
T

1 n
n T

1 T

z


n2 2
P11 P12 r

P11 z

对于四层光纤，考虑边界条件：
0.71105 / C, T
103rad /( C m)
LT
相位调制型
5.3.1 相位调制机理 cont’d
多层结构的考虑：
纤芯、包层、衬底、一次涂敷、二次涂敷… 结论：
二次涂敷对单模光纤的灵敏度影响最大。 MZ干涉仪中，声压力产生的温度PZ效T 应
实现应变的方法：
光纤
5.3.2 光纤干涉仪的类型
探测臂
I (1 cos ),
if , 2m and
外界因素引起 L 和 参n考的臂变化：
m耦合器L
干涉条纹
LD
PD 信号处理
L
探测臂
可移动
光纤反射端面


耦合器
L
L

L
L
L

n
L

D
参考臂 L
n 固定 D
波导效应，可忽略
相位调制型
FBG 信号解调系统 FFPI传感器
相位调制型
5.3.2 光纤干涉仪5－多光束干涉 cont’d
光纤环形腔干涉仪
激光输入
1
3
耦合器
2
4
光输出
光纤环
自由谱区宽度（FSR） FSR c
干涉细度F： F FSR
nL

I3-βL I4-βL
5.3.3 相位压缩与微分干涉仪 光 源
1
(1
4R R)2

sin
2


2

结论
R：反射率；φ：相邻光束的相位差
discriminability(sensitivity) R
5.3.2 光纤干涉仪1-2
相位调制型
Mach-Zehnder干涉仪和Michelson干涉仪
干LD涉光强:
耦合器
K
2 A1 1 A1
A2 A2 2
相位调制型
*相干条件（产生干涉的条件）
在观原察子时间前内后，许发多出波列的都两通过列P点光波相互独立 没
有固I定的1 0位Id相 关0 (a系12 a22 2a1a2cos )d 两 图个样发只光能原在极子同短a12 的时 a22发 时 2间出a1a2内的/ 波存0 co列在s d形 成的干涉
直接动态效应：温度，应力外差调制
反射和Rayleigh散射
磁光调制－调相－附加45度相移
Faraday效应
声光调制－调频
光Kerr效应
5.3.2 光纤干涉仪3
Sagnac干涉仪的应用
光纤陀螺与组合导航
相位调制型
cont’d
有RF 寻的的制导区、弹头或测试区、控制 区、推进器区
方类目方案型的案主：：：动控不两相制控臂位跟制的Δ踪l干相零W涉位差正0仪差法交的将（W工1A工不dP作dWT作断tH点2点改,A工W变ct作i2ved；dWpt使h1Δaφ用s＝eA两tr2πa/个dc2ki强ndgt度t 差
最类大型h主o的举动m信例o波d号长yn调e解）谐调零差法保（t持AW最TA佳1H2,灵AWc敏tiv0度detwavKelength tuning
h微o分mo交d叉yn相e）乘法
相位载波生成法（PGC，Phase generated carrier）[28]
和3×3耦合器法[29]
3×3耦合器法
相位调制型
缺点：
动态范围仍然受到解调电路的限制
复杂
优点：传感器的相位解调范围大大增加
探测器1
光源
耦合器
耦合器
探测器2
传感光纤
易受外界环境影响等
用声光调制器的外差式干涉结构复杂、体积大、调制频率范围 小的矛盾
光栅写入装置
5.3.2 光纤干涉仪3
相位调制型
Sagnac干涉仪
结构
优势：
LD
耦合器
Ω
无活动部件
无非线性效应
PD
无闭锁区
1
Δl
2
Id