波長調製

波長調製是通信用語，指利用外界作用改變光纖中光的波長的方法，通過檢測光纖中光的波長的變化來測量各種物理量。

中文名稱	波長調製
英文名稱	wavelength modulation;WM
定　　義	利用外界作用改變光纖中光的波長的方法。通過檢測光纖中光的波長的變化來測量各種物理量。
套用學科	通信科技（一級學科），通信原理與基本技術（二級學科）

基本介紹

• 中文名：波長調製
• 外文名：wavelength modulation
• 簡稱：WM
• 套用學科：通信科技，通信原理與基本技術

定義

光纖波長調製感測器主要是利用感測探頭的光頻譜特性隨外界被測量變化而變化的特性。大多數波長調製系統中，光源採用白熾燈或汞弧燈。頻譜分析儀一般採用稜鏡分光計、光柵分光計、干涉濾光器和染料濾光器等方式。光纖波長調製技術主要套用於醫學、化學等領域。例如，對於人體血液的分析，PH值檢測，指示劑溶液濃度的化學分析，磷光和螢光現象分析，黑體輻射分析，法布里-珀羅濾光器等。

原理

波長調製光纖感測器主要是利用感測探頭的光頻譜特性隨外界物理量變化的性質來實現的，通過檢測光頻譜特性實現被測參數測量。由於波長與顏色直接相關，因此波長調製又稱為顏色調製。波長調製中，光源發出的能量為 （λ）的光信號，經過入射光纖進入調製器，在調製器中，光信號與被測信號相互作用，光譜分布發生變化，輸出光纖的能量分布為 （λ），由光譜分析儀檢測出 （λ）即可求得被測信號。

波長調製光纖感測器中，有時不需要光源，而是利用黑體輻射、螢光（磷光）等的光譜分布與某些外界參數有關的特性來測量被測信號的。

實現方法

利用熱色物質的顏色變化

60W的鎢絲燈光經過光纖進入熱變色溶液，其反射光被另一光纖接收後，分兩束分別經過波長為650mm和800mm的濾光片，最後由光電檢測器接收。這種熱變色溶液的光強與溫度有關係，溫度為20℃時，在500nm處有一個吸收峰，溶液呈紅色，溫度升高到75℃時，在650nm處也有一個吸收峰，溶液呈綠色。在波長為650nm時，光強隨溫度變化最靈敏，在波長為800nm時，光強與溫度無關。因此，選這兩個波長進行檢測（即波長檢測）就能確定外界物理量。

利用磷光（螢光）光譜的變化

用稀土磷光體做的探頭被頻率為 的紫外光照射後，發出一個與溫度有關的光譜。光譜中紅光 譜線的強度隨溫度而增加，而綠光光譜線 則降低，但兩者的比值是溫度的單值函式。由於這兩條譜線被相同的光照激勵，故它們的比值與激勵光譜的光強基本無關。

利用黑體輻射

利用黑體輻射，不需要外加光源，而且簡單地由探頭尖端（即黑體腔）收集黑體的光譜輻射，然後通過光纖把這種寬頻帶的輻射傳送到分光儀或濾光片，根據普朗克提出的輻射亮度與波長的關係隨溫度變化的公式，通過雙波長就能測出黑體的溫度。

利用濾光器參數的變化

在外界因素影響下，法布里-珀羅標準具（濾光器）的間隔會變動，這樣就引起濾光器透射和反射功能的變化。這樣，可以用一個以CCD陣列通過分光計（或稜鏡）對此光譜取樣，利用這個取樣光譜來計算濾光器的變換特性就能確定外界因素。

檢測系統

吸收線的確定

使用的是Anritsu公司生產的DFB雷射器，中心波長為1650nm。採用溫度掃描的方法來確定甲烷氣體的吸收線。雷射器的溫度調諧係數約為0.09nm/℃，溫度掃描範圍為-30℃~45℃。在一個大氣壓下，用純甲烷氣體沖洗氣室下，測得每個溫度下的甲烷氣體的吸收信號，可知，在7℃時，甲烷氣體有最強的吸收。採用Newport公司的325型號的溫控器，該溫控器具有很好的溫度穩定性，可以保證長時間內沒有較大的溫度漂移。

實驗系統

整體實驗裝置如下：將雷射器的溫度控制在7.0℃，未調製時的直流驅動為34mA，採用Max038晶片設計了正弦信號發生器電路，信號幅度為18mA，頻率為5kHz。氣體吸收室兩端有進氣口和出氣口，實驗時，用橡皮塞把兩端密封好，用注射器注入氣體，同時注意保持內部壓強為一個大氣壓。室中光程為20cm，兩端均有一個GRIN透鏡，單程吸收，製作簡單，準直性能好。採用PIN光電二極體，回響範圍為1100nm~1700nm，最小可回響的功率為1nW。

線性範圍大。數據採集卡PCI-2006的兩通道採樣速率均為200kHz，解析度為14位。經光電轉換和放大後，分成兩路：一路進入鎖相放大器RS830，用以檢測二次諧波，鎖相放大器的時間常數設定為3S，靈敏度設定為0.2V；另一路直接經過A/D進入計算機，按照鎖相放大器的原理，用LabVIEW軟體編寫了相應程式，來完成一次諧波的提取。由A/D採集來的鎖相放大器的輸出（與二次諧波信號的幅值成正比）與一次諧波幅值相比，得到與甲烷濃度成正比的信號。

純氮氣時，可以測得一、二次諧波幅值的比較。然後，用注射器沖入一定量的甲烷氣體，來回抽動以確保氣體混合均勻。最後注射器中保持一定的體積，抽出氣室，確保整個實驗過程在相同的壓強下進行。以相同的方法，一次充入定量的甲烷氣體，並轉換成對應的體積濃度。

結果分析

基於波長調製技術的甲烷氣體濃度檢測具有很高的靈敏度，按照此原理進行了上面的實驗，取得了較好的結果。充入體積濃度為0.1%的甲烷時，光程長為20cm，系統仍能分辨。如果能減小標準具噪聲和氣室長度等因素所造成的影響，解析度可進一步提高。