光纤压电陶瓷相位调制系统及其在线标定

光纤压电陶瓷相位调制系统及其在线标定

张 超，段发阶，蒋佳佳，王 凯

【摘 要】摘要：设计了一种低成本，低噪声，高精度的光纤压电陶瓷相位调制系统。包括±100 V线性稳压电源，±12 V线性稳压电源以及三极管压电陶瓷驱动电路。±100 V电源纹波电压小于10 mV，整个电路系统噪声系数小于2 dB，3 dB带宽大于500 Hz，输出峰峰值超过160 V，输出电流大于100 mA。通过光纤3dB耦合器形成的迈克尔逊干涉仪和光纤端面反射光干涉信号在线标定，相位调制度的非线性度小于5%。 【期刊名称】光电工程 【年(卷),期】2011(038)006 【总页数】4

【关键词】光纤相位调制；光纤迈克尔逊干涉仪；压电陶瓷驱动器；在线标定

0 引 言

随着光传感技术的发展，相位调制型光纤干涉仪由于灵敏度高，结构灵活，成为主流。光纤相位调制系统是相位调制型光纤干涉仪的基本组成部分。调制形式包括激光器内调制[1]，电光相位调制[2]，压电陶瓷外调制[3]等。物联网技术要求低成本的传感器，使得低成本的光纤相位调制系统得到广泛应用。其中压电陶瓷光纤外调制系统在相位调制型光纤干涉仪中得到大量应用。

目前，压电陶瓷光纤外调制系统多采用通用压电陶瓷驱动电源，压电陶瓷驱动电源多采用集成高压功率放大器[4-6]，稳定度高，结构简单。由于光纤相位敏感性，要求低噪声的压电陶瓷驱动电源。光纤弯曲带来功率损耗和双折射效应等非线性效应，要求缠绕匝数尽量小，使得高压驱动成为必然。同时，在不影

响光纤干涉仪的前提下，光纤相位调制系统相位调制度的在线实时标定[7]也是主要问题。

本文设计了一种低成本，低噪声的压电陶瓷外调制系统，通过电路优化使得系统工作稳定的同时满足高精度要求。通过在光纤马赫泽得干涉仪中引入光纤迈克尔逊干涉仪，通过光纤端面反射光产生的干涉信号在线标定光纤相位调制系统的相位调制度。

1 光纤压电陶瓷外调制原理

如图 1，外调制是将光纤绕在压电陶瓷上，通过给压电陶瓷提供交流驱动电压，利用其电致伸缩效应改变光纤长度，从而实现稳定相位调制的方法。相位改变量：

其中：p为单位电压产生的相移量，即是相位调制度；w为交流电压频率； 为交流电压相位。交流电压由光纤压电陶瓷相位调制系统产生。光纤端面反射的光由PD(光电探测器接收)，从而得到相移系数。

2 光纤压电陶瓷相位调制系统

整个光纤压电陶瓷相位调制系统如图 2。包括低压电源，高压电源，低电压处理电路，高电压处理电路，输入为直流电压和交流电压，电压输入范围可调，最大为±10 V。 2.1 高精度稳压电源

如图3，为高精度稳压电源电路原理图，220 V交流电压通过变压器耦合进入电路系统，整流滤波后进入稳压阶段。电路对输入端和输出端分别进行了稳压。通过达林顿连接调节输入输出压差，使之稳定。同时加入限流电阻防止短路。 电路中加入了输入短路保护，滤波电路等附加电路。输出电流超过100 mA。

通过万用表电压交流档测量纹波输出，通过观察，两小时内纹波电压小于10 mV。

2.2 低电压处理电路

低电压处理电路如图4所示。直流和交流通过输入相加后，滤波放大后供给高电压处理电路。同时，在加法器前加入调零电路，在放大器前加入滤波电路。 2.3 高电压处理电路

高电压处理电路如图5所示。包括电压放大和电流放大电路。通过将电压放大和电流放大形成功率放大。电压放大器(VFA)精度高，但是在增益变大时稳定度降低。电流放大器(CFA)精度比电压放大器低，但是带宽大，在电压增益变大时也较稳定。我们通过了两者结合，通过电压放大器实现误差放大，通过电流放大器结构进行高压放大，从而实现了在不降低精度的情况下，带宽的扩展和稳定性的提高。

低电压电路输入后形成闭环放大电路，其中电流放大，电流电压电路和电流放大电路组成的电路由三级晶体管电路组成。

此外电路设计中充分考虑了热阻设计和热耦合问题。加入了输出过流保护电路和隔离电路。通过测试噪声系数为2 dB，闭环3 dB带宽大于500 Hz，输出峰峰值超过160 V，输出电流大于100 mA。

在电路调试过程中应充分注意高电压下电容放电带来的安全问题，同时三极管、电容等都要精心选择符合耐压和最大输出电流要求。对与闭环电路应该先调节开环电路，通过开环电路测定闭环参数，逐步调节，使之符合系统要求。

3 实验及数据拟合

3.1 光纤压电陶瓷相位调制系统实验