一種基于相位載波調制的光纖硅微傳聲器系統的制作方法

專利名稱：一種基于相位載波調制的光纖硅微傳聲器系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及微機電器件技術領域，具體地說，本發明涉及一種基于相位載波調制的光纖硅微傳聲器系統。
背景技術：
傳聲器，又稱為麥克鳳(Microphone的譯音)，是一種將語音信號轉換成電 信號的裝置，它廣泛應用于我們生活中。對應于不同的應用需求和場合，出現了 多種傳聲器，如駐極體傳聲器、硅微電容傳聲器和光纖傳聲器等。駐極體傳聲器、硅微電容傳聲器是民用消費電子產品中應用最為普遍的傳聲 器，如手機、錄音機、耳機、計算機和PDA (個人數字助理)等等，它們都是聲 一電轉換裝置，也就是將聲波聲壓的變化轉換成電壓的變化，這些傳聲器通常由 電容芯片、金屬外殼和放大電子電路組成，因此，在有些應用場合的應用中受到 一定的限制，如強電場、強磁場或強射頻場環境中不適合。而光纖傳聲器是將聲波信號轉換成調制的光學信號，并通過光纖傳輸，再將 調制的光信號解調成電信號的一種裝置。光纖傳聲器一般包括傳感頭和電子電路 系統兩個獨立的部分，這兩個部分通過光纖連接。由于在其傳感頭部分沒有電信 號的轉換，也沒有電子電路，即傳感頭部分既不產生電磁信號，也不受電磁信 號的干擾，因此，可以應用于強電場、強磁場或強射頻場環境中，如核磁共振成 像(MR工)和CT (計算機X射線斷層掃描)醫學成像中，也可以用于國家安全偵 聽設備中。光纖傳聲器的調制方式一般有光強度調制、相位調制和偏振調制等， 采用光強度調制的傳聲器系統一般比較簡單，但在靈敏度、信噪比和動態范圍指 標上，沒有采用相位調制的光纖傳聲器系統好。另外，光纖傳聲器在低頻響應、 頻帶寬度、抗振動等方面也優于傳統的傳聲器。已知的光纖傳聲器是以色列Phone-0r公司(參考網址:w麗.phone-or com ) 研制的光纖光學傳聲器(Fiber Optical Microphone,簡稱F0M)，在其公司的白 皮書中，詳細介紹了 FOM的原理和性能。Phone-Or公司的光纖光學傳聲器(FOM) 采用LED (發光二極管)作為光源，傳感頭中光信號的輸入和輸出通過兩根不同 的光纖與遠處的電子系統連接。來自LED光源的輸入光纖通過一個光學透鏡將光 束照射到傳感振動膜的中心區域，當振動膜接收到語音信號而振動時，振動膜中 心區域反射光的強度將發生變化，此反射光信號將通過輸出光纖傳遞給遠方的電 子系統。這種通過調制光的強度而實現光傳感的方法，優點是比較簡單，對光源 和電子系統的要求比較低，例如一般的發光二極管LED就能滿足要求，但這樣的 系統也有一些不足之處1) 由于這個系統的信噪比(SNR)正比于發光二極管LED電流的平方根， 要提高信噪比(SNR)就要大幅度地提高發光二極管LED的電流，或使用更大功 率的LED，因此，對于要求大信噪比(SNR)的情況下，很難滿足要求。2) 由于使用光強度調制的傳感器靈敏度比較別的調制方式如光相位調 制等的靈敏度低，動態范圍也比光相位調制系統的小，因此，在對靈敏度和動態 范圍要求較高的情況下，用光強度調制的傳感技術不能滿足要求。發明內容本發明的目的在于克服現有技術中信噪比和靈敏較低、動態范圍小的不足之 處，從而提供--種基于相位載波調制的光纖硅微傳聲器系統。為實現上述發明目的，本發明提供的基于相位載波調制的光纖硅微傳聲器系統，如圖1所示，包括激光光源、光纖、光纖耦合器、傳聲器探頭、光電探測器； 其特征在于，所述激光光源是-一種相位載波調制的激光光源100;所述光纖包括輸入光纖200、傳輸光纖400、輸出光纖600;所述光纖耦合器300通過所述輸入光纖 200與所述相位載波調制的激光光源100連接，并通過所述傳輸光纖400與所述傳 聲器探頭500連接，并通過所述輸出光纖600與所述PIN光電探測器700連接；所 述PIN光電探測器700與相位載波調制信號電子解調系統800通過電線或電纜連接; 所述傳聲器探頭500包括梯度透鏡和帶有反光區域的振動膜，所述梯度透鏡的出射 端面和振動膜上的反光區域平行放置，構成激光斐索干涉腔。上述 技術方案中，所述相位載波調制的激光光源100至少包括一個半導體激 光器和一個產生調制電流的振蕩器，在額定的發光功率范圍內，所述半導體激光 器輸出的激光光頻隨調制電流線性變化。上述技術方案中，所述輸入光纖200、輸出光纖600和傳輸光纖400均為單 模光纖。上述技術方案中，所述光纖耦合器300是一種將注入光束分成光強相等的兩
束光的耦合器。上述技術方案中，所述光電探測器是一種由PIN光電二極管組成的光電轉換電路。上述技術方案中，所述相位載波調制信號電子解調系統800是一種將載波調制信號中的音頻信號解調出來的電子信號處理系統。上述技術方案中，傳聲器探頭500還包括斐索干涉腔支架505和MEMS傳感 芯片；所述斐索干涉腔支架505制作在MEMS傳感芯片硅基片的上表面或下表面 上，構成一個圓柱形的斐索干涉腔,所述梯度透鏡506固定在斐索干涉腔支架上， 該梯度透鏡506通過尾纖508與傳輸光纖400連接；所述反光區域制作在MEMS 傳感芯片的振動膜上。本發明具有如下有益效果1) 由于本發明的光纖傳聲器探頭沒有電子電路和金屬封裝的外殼，它 在使用時可以通過光纖連接，所以它既不產生電磁信號，也不受電磁信號的干擾， 因此，可以應用于強電場、強磁場或強射頻場環境中，如核磁共振成像(MRI) 和CT醫學成像中，也可以用于國家安全偵聽設備中。2) 由于使用相位載波調制的激光作為光源并在光纖MEMS傳感探頭中應 用了梯度透鏡，因此，本發明在靈敏度、動態范圍和信噪比等方面要比使用光強 度調制的傳感器要好很多。3) 本發明的光纖MEMS傳聲器在低頻響應、頻帶寬度、抗振動等方面也 優于傳統的駐極體傳聲器。由于采用了 MEMS振動膜，(MEMS: Micro-electromechanical Systems,微 機電系統)因此，整個光纖MEMS傳聲器探頭可以制作得非常小，也可以實現一 體化集成。


圖1是基于相位載波調制的光纖硅微傳聲器系統原理圖； 圖2是相位載波調制的激光光源電路原理圖 圖3是光纖硅微傳聲器探頭實例1 圖4是光纖硅微傳聲器探頭實例2 圖5是光纖硅微傳聲器探頭實例3圖6是相位載波調制(PGC)信號的模擬電路解調方案 圖7是相位載波調制(PGC)信號的數字DSP解調方案 圖8是數字DSP解調方案中的程序流程圖具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一歩詳細描述。實施例1:圖1示出了本發明的一個實施例的原理性框圖。本發明即一種基于相位載波調制的光纖硅微傳聲器系統1000,包括相位載波調制的激光光源100、輸入光纖 200、 3dB光纖耦合器300、傳輸光纖400、光纖MEMS傳聲器探頭500、輸出光纖 600、 PIN (p-!'-n photodiode，即由半導體p慘雜一本征一n摻雜構成光電二極管) 光電探測器700和載波調制信號電子解調系統800。所述的3dB光纖耦合器300 分別與所述的相位載波調制的激光光源100、所述的光纖MEMS傳聲器探頭500 以及所述的PIN光電探測器700通過所述的輸入光纖200、所述的傳輸光纖400 以及所述的輸出光纖600連接。所述的PIN光電探測器700與所述的PGC載波調 制信號電子解調系統800通過電線或電纜連接。本發明的工作原理是這樣的所述的光纖MEMS傳聲器探頭500至少包括一 個梯度透鏡(也稱自聚焦透鏡)和一個帶有反光區域(或稱反光斑點)的MEMS 振動膜，梯度透鏡的出射端面和MEMS振動膜上的反光區域(或稱反光斑點)平 行放置，構成激光斐索(Fizemj)干涉腔。所述的梯度透鏡作為出射光的準直透 鏡和來自所述的MEMS振動膜上的反光區域(或稱反光斑點)反射光的會聚透鏡。 所述的梯度透鏡出射端面鍍有反射膜，以反射一部分入射光作為參考臂(即沒有 包含傳感信息的光信號走過的路徑)光信號，而信號臂(即包含傳感信息的光信 號走過的路徑)的長度是所述的MEMS振動膜上的反光區域(或稱反光斑點)與 所述的梯度透鏡出射端面的距離。當所述的MEMS振動膜接收到變化的聲壓時， 其上的反光區域(或稱反光斑點)將產生微小的位移，此微小的位移將調制反射 光的相位。這樣，來自參考臂的光信號和來自信號臂相位調制的光信號形成干涉, 所產生的干涉光信號通過所述的傳輸光纖400、 3dB光纖耦合器300和所述的輸 出光纖600傳輸到所述的PIN光電探測器700,并被其轉換成載波調制的電信號， 此電信號被所述的PGC載波調制信號電子解調系統800解調出來，得到對應于聲 壓變化的電信號。為了提高所述光纖硅微傳聲器系統1000的靈敏度和擴大動態
范圍，所述光纖MEMS傳聲器探頭500的入射光信號來自所述相位載波調制的激光光源100。所述相位載波調制的激光光源100至少包括一個高穩定度的激光器(如DFB 半導體激光器)和一個產生調制信號的振蕩器，且激光器的波長(頻率)與輸出 光功率有關，即與注入激勵電流有關。在一定的發光功率范圍內激光器光源輸出 的光頻隨調制電流近似線性變化。每種光源都有自己特有的頻率調制指數和相對 頻率調制指數。所述的高穩定度激光器和所述的振蕩器一起，產生一個周期性調 制的激光信號。此載波調制的激光信號輸出時，如果所述的輸入光纖200為保偏 光纖，可以通過一個偏振片后傳輸給所述的輸入光纖200， 一般情況下，也可以 省去所述的偏振片。所述的輸入光纖200、輸出光纖600和傳輸光纖400為單模光纖，可以是保偏 單模光纖，也可以非保偏的單模光纖。這些光纖的作用是保證光信號低損耗傳輸。所述的3dB光纖耦合器300是一種廣義的光耦合裝置，它的作用是將所述相 位載波調制的激光光源100的光信號耦合到所述傳輸光纖400中，并將來自所述 光纖MEMS傳聲器探頭500的反射光信號耦合到所述輸出光纖600中。所述的3dB 光纖耦合器300可以是2 x 1光纖耦合器，也可以是2 x 2光纖耦合器，它將注 入的光束分成光強為1: 1的兩束光。對于使用2 x 2光纖耦合器的情況， 一束 注入到所述2 x 2光纖耦合器的光是來自所述相位載波調制的激光光源100的光 信號，它經過所述輸入光纖200與所述2x2光纖耦合器連接，分出的兩束光中， 其中一束到所述傳輸光纖400，光的傳播方向是從所述2 x 2光纖耦合器到所述 光纖MEMS傳聲器探頭500，而另一束分出的光沒有用(本發明沒有畫出)，可以 連接到光吸收端頭，也可以什么都不接。另一束注入光是來自所述光纖MEMS傳 聲器探頭500的反射光，光的傳播方向從所述光纖MEMS傳聲器探頭500到所述 2 x 2光纖耦合器，分出的兩束光，一束進入所述輸入光纖200， 一束進入所述 輸出光600。所述的PIN光電探測器700是一種廣義的光強檢測裝置，它將接收到的 光信號轉換成與光強度成正比的電信號。它一般是由PIN光電二極管組成的 光電轉換電路。所述的PGC載波調制信號電子解調系統800是廣義的電子信號處理系統，它 的功能就是將PGC載波調制信號中的音頻信號解調出來。能夠完成解調的方案一 般有兩種，即模擬電子電路解調方案和數字信號處理DSP解調方案。所述的模擬電子電路解調方案是指利用模擬電路的乘法、濾波、微分、積分等模擬運算，完 成PGC載波調制信號的解調；所述的數字信號處理DSP解調方案是指將模擬信號經過A/D轉換進行量化，通過數字信號處理DSP的軟件運算，實現數字解調，然 后，再通過D/A轉換將數字解調信號轉換成相應的模擬解調信號。本實施例給出的是用MEMS振動膜傳感音頻信號的實例，但從工作原理可知，本發明和本實施例并不限于呢MS振動膜，也可以是別的電容式傳感芯片的振動 膜，如有機膜振動膜電容傳聲器的有機振動膜、金屬膜電容傳聲器的金屬振動膜 等，只要是振動膜的中心區域有一能夠反射光的區域即可。實施例2-圖2示出了本發明的一個實施例，尤其給出了所述相位載波調制的激光光源 100的詳細電路圖。所述相位載波調制的激光光源100包括信號源105、運算放大器A1、晶體三 極管Q1、 DFB激光器L1、齊納二極管Dl和若干電阻、電容等。放大器A1的負 輸入端接反饋信號，該放大倍數可由反饋電阻R6、接地電阻R5的阻值之比決定。直流電壓源通過可變電阻Rl產生一個可調節的直流電壓，信號源105產生 一個交流調制信號，所述直流電壓和一個交流調制信號通過ttl直流支路電阻R2、 交流支路電阻R3、接地電阻R4組成的加法電路疊加在一起，然后接入所述運算 放大器Al的輸入端。其中接地電阻R4的阻值范圍是直流支路電阻R2的10 倍，同時也是交流支路電阻R3的10 100倍，直流支路電阻R2與交流支路電阻 R3的阻值一般相等，但也可以不等。所述運算放大器A1將來疊加信號同比例放大，放大倍數一般為1 10倍。 放大器A1的輸出端和所述晶體三極管Q1的基極相連，通過連接在所述晶體三極 管Ql發射極上的射極電阻R7將電壓轉換成比例的發射極電流，此電流通過所述 晶體三極管Ql的集電極控制所述DFB激光器Ll的激勵電流。所述的直流電壓用 于確定所述DFB激光器的輸出功率，而所述信號源105的交流信號用于周期性地 調制所述DFB激光器的輸出光強，并在一定范圍內改變輸出光信號的頻率。所述 DFB激光器一般都有內置的梯度透鏡(GRIN Lens簡稱GL)，將產生的激光通過 梯度透鏡耦合到輸出光纖200中。所述運算放大器Al的輸出端還接有反饋電阻 R6然后接入運算放大器Al的負輸入端，該負輸入端同時接有一個接地電阻R5。 一般來講，所述信號源105交流信號的幅度與所述的直流電壓值的比值在1 % 80%之間，其頻率至少大于所述光纖硅微傳聲器系統的傳感音頻信號帶寬的 2倍，例如，傳感音頻信號的頻率為10KHz,則所述信號源105交流信號的頻率至 少要大于20KHz。另外，本實施例中，在晶體三極管Ql集電極還接有一個齊納 二極管Dl，所述的齊納二極管Dl的作用是在開關電源或在所述DFB激光器Ll 反向偏置時保護所述DFB激光器L1。電容C1是穩壓電容，主要濾去來自電源的 交流噪聲。電容C2濾波電容，主要是濾去高頻信號或噪聲。實施例3:圖3示出了本發明的一個實施例，尤其給出了所述的光纖MEMS傳聲器探頭 500的詳細結構。在此實施例中，所述的光纖MEMS傳聲器探頭500包括梯度透鏡506、尾纖 508、斐索干涉腔支架505和MEMS傳感芯片。所述的梯度透鏡506通過所述的尾 纖508與所述的傳輸光纖400連接。其中所述的MEMS傳感芯片由體刻蝕掩膜501 、 硅基片502、振動膜503和制作在振動膜503上的反光膜區域504組成。所述的反光膜區域504用于反射來自所述梯度透鏡506的光信號，此反射光 信號又通過所述梯度透鏡506耦合到光纖里，作為來自信號臂的傳感信號。所述的斐索干涉腔支架505 —般為非金屬材料制成(如有機玻璃、聚氯乙烯 材料、陶瓷、玻璃等)，用于固定所述MEMS傳感芯片和所述梯度透鏡506，使其 出射端面507與所述的反光膜區域504平行放置，并調節它們之間的距離，即斐 索干涉腔的長度。所述的出射端面507上有一層反射膜(如鋁膜、銀膜和氟化鎂 膜等)，使來自光源的信號部分被反射，作為斐索干涉的參考臂信號。所述的梯度透鏡506，也稱為梯度折射率透鏡，或稱自聚焦鏡，它可以將 光纖內的傳輸光轉變成準直光(平行光)，或將外界平行(近似平行)光耦合至 單模光纖內。所述的振動膜503是一種低應力的非金屬薄膜，它通常是利用半導體工藝在 所述硅基片502上制作的。它可以是低應力氮化硅薄膜、多晶硅薄膜、二氧化硅 薄膜、濃硼摻雜的硅薄膜等，也可以是有機薄膜，如聚酰亞胺薄膜等。所述的振 動膜503可以是周圍固定的圓形或四邊固定的方形膜，也可以是部分固定(例如， 整個膜懸浮在硅基片上，但被分布在四達形頂角的四個固定錨點拉著)的圓形或方形薄膜。所述的振動膜5()3的邊沿可以有褶皺(Corrugations),也可以沒有 褶皺(Corrugations)。所述的振動膜503可以沒有小的聲孔，也可以有小的聲 孔。這里，褶皺的作用是為了減少振動膜應力，而小的聲孔可以改善傳聲器在整 個頻帶內的響應。所述的反光膜區域504是指廣義的反光材料制成的一小的圓形區域，直徑為 10 1000微米之間，該反光膜區域504也可以是方形或別的形狀的區域。所述 的反光膜區域504 —般采用金屬鋁或金膜。對于振動膜本身就具有反光的情況 (例如，有的振動膜是在氮化硅薄膜上鍍一層鋁膜)，可以不另外制作反光膜。實施例4:圖4示出了本發明的一個實施例，尤其給出了所述的光纖MEMS傳聲器探頭 500的詳細結構。本實施例與實施例3除了所述MEMS傳感芯片外，其它部分完 全相同。相同的部分使用同一個標號，功能部分這里不再重述。在此實施例中，所述的光纖MEMS傳聲器探頭500包括梯度透鏡506、尾纖 508、斐索干涉腔支架505和MEMS傳感芯片。所述的MEMS傳感芯片依次由體刻蝕掩膜501、硅基片502、聲背板513、空 氣隙516、隔離層517、振動膜503和反光膜區域504組成。所述的反光膜區域504用于反射來自所述梯度透鏡506的光信號，此反射光 信號又通過所述梯度透鏡506耦合到光纖里，作為來自信號臂的傳感信號。所述的振動膜503是一種低應力的非金屬薄膜，它通常是利用半導體工藝在 所述硅基片502上制作的。它可以是低應力氮化硅薄膜、多晶硅薄膜、二氧化硅 薄膜、濃硼摻雜的硅薄膜等，也可以是有機薄膜，如聚酰亞胺薄膜等。所述的振 動膜503可以是四邊固定的圓形或方形膜，也可以是部分固定的圓形或方形薄 膜。所述的振動膜503的邊沿可以有褶皺(Corrugations),也可以沒有褶皺 (Corrugations)。所述的聲背板513為一體刻蝕自停止層，它與所述的振動膜503之間有一個 空氣隙516。所述聲背板513至少有一個光孔515，使來自所述梯度透鏡507的 平行光束能通過。所述聲背板513也可以有許多小圓形或方形聲孔514。
所述隔離層517在所述硅基片502之上，用于支持所述振動膜503。所述隔 離層517 —般為低溫二氧化硅(LTO)，也可以是氮化硅或氮化硅與低溫二氧化硅 (LTO)的復合層。所述隔離層517的厚度為1 20微米之間。所述空氣隙516的厚度由所述隔離層517決定，為1 20微米之間。當所述 振動膜503的邊沿有用于減小應力的褶皺時，所述空氣隙516比所述隔離層517 的厚度小。實施例5:圖5示出了本發明的一個實施例，尤其給出了所述的光纖MEMS傳聲器探頭 500的詳細結構。本實施例與實施例4的結構基本相同，不同之處在于本實施例 中MEMS傳感芯片的聲背板沒有小聲孔，而將聲孔移到振動膜上了。兩實施例中 相同的部分使用同一個標號，功能部分這里不再重述。在此實施例中，所述的光纖MEMS傳聲器探頭500包括梯度透鏡506、尾纖 508、斐索干涉腔支架505和MEMS傳感芯片。所述的MEMS傳感芯片依次由體刻蝕掩膜501、硅基片502、聲背板513、空 氣隙516、隔離層517、振動膜503和反光膜區域504組成。所述的反光膜區域504用于反射來自所述梯度透鏡506的光信號，此反射光 信號又通過所述梯度透鏡506耦合到光纖里，作為來自信號臂的傳感信號。所述的振動膜503是一種低應力的非金屬薄膜，它通常是利用半導體工藝在 所述硅基片502上制作的。它可以是低應力氮化硅薄膜、多晶硅薄膜、二氧化硅 薄膜、濃硼摻雜的硅薄膜等，也可以是有機薄膜，如聚酰亞胺薄膜等。所述的振 動膜503可以是四邊固定的圓形或方形膜，也可以是部分固定的圓形或方形薄 膜。所述的振動膜503的邊沿可以有褶皺(Corrugations),也可以沒有褶皺 (Corrugations)。所述的振動膜503有小的聲孔527。所述的聲背板513為一體刻蝕自停止層，它與所述的振動膜503之間有一個 空氣隙516。所述聲背板513至少有一個光孔515，使來自所述梯度透鏡507的 平行光束能通過。所述隔離層517在所述硅基片502之上，用于支持所述振動膜503。所述隔 離層517 —般為低溫二氧化硅(LTO)，也可以是氮化硅或氮化硅與低溫二氧化硅 (LTO)的復合層。所述隔離層517的厚度為1 20微米。 所述空氣隙516的厚度由所述隔禽層517決定，為1 20微米。當所述 振動膜503的邊沿有用于減小應力的褶皺時，所述空氣隙516比所述隔離層 517的厚度小。實施例6:圖6示出了本發明的一個實施例，尤其給出了 PGC載波調制信號電子解調系 統800的詳細電路框圖。在此實施例中，所述PGC載波調制信號電子解調系統800包括信號源0SC、 四個模擬乘法器M1 M4、低通濾波電路LP1和LP2、微分器Di和D2、模擬減法 器A1、積分電路J1、高通濾波電路HP和音頻輸出。來自所述P工N光電檢測器700的載波調制的電信號分成兩路，分別與來自所 述信號源OSC的一倍頻信號G Coscot和二倍頻信號H Cos2(nt (G和H分別代表 兩信號幅度，o)是基頻角頻率，t是時間)通過所述的模擬乘法器Ml和M2進行 乘法運算，乘積輸出分別與所述低通濾波器LP1和LP2相連接。低通濾波器將信 號的高頻分量和混頻的鏡像頻率分量濾去，只留下所需要的低頻信號。所述濾波 器LP1的輸出分成兩路， 一路經過所述微分電路Dl后與所述濾波器LP2的輸出 通過所述模擬乘法器M3相乘；另一路與所述微分電路D2的輸出通過所述乘法器 M4相乘。兩模擬乘法器的輸出通過所述的模擬減法器A1相減，運算的結果經過 所述的積分電路Jl和高通濾波電路HP，此時，整個相位載波調制的信號得到解 調，恢復出相應傳感電信號。此信號通過所述的音頻輸出可以直接驅動喇叭或揚 聲器，或連接到遠方的音頻設備上。所述信號源0SC為高穩定度的信號源，且能夠提供初始相位相同、輸出 幅度可調節的一倍頻信號和二倍頻信號。兩信號源的互相抑止要大于60dB。 所述信號源0SC的一倍頻信號的頻率與所述位載波調制的激光光源100的調 制信號的頻率相同。為了得到的解調信號不失真，對解調電路的對稱性要求較高，即要求所述的 模擬乘法器Ml與M2、低通濾波器LP1與LP2、微分電路Dl與D2、模擬乘法器 M3與M4有相同的幅頻特性和相頻特性。
實施例7:圖7示出了本發明的一個實施例，尤其給出了 PGC載波調制信號電子解調系 統800的數字解調方案框圖。在此實施例中，所述PGC載波調制信號電子解調系統800的數字解調方案包 括A/D轉換器(模/數轉換器)、MPb'微處理器單元、TMS32()DSP引擎、D/A轉換 器(數/模轉換器)、低通濾波器和音頻輸出單元。來自所述PIN光電檢測器700的模擬電壓信號經過所述A/D轉換器量化成數 字信號，此數字信號被所述MPU微處理器單元讀取后，通過數據總線傳輸給所述 TMS320DSP引擎，由其運行數字信號處理軟件來完成PGC載波調制信號的數字解 調，并將解調的數據再回傳給所述MPU微處理器單元。所述V1PU微處理器單元將 解調后的數據通過所述D/A轉換器轉換成模擬信號，此信號經過所述低通濾波器 輸出給所述音頻輸出單元，此單元可以直接驅動喇叭或揚聲器，或連接到遠方的 音頻設備上。所述MPU微處理器單元是一種廣義的微處理器單元，可以是8位、16位或 32位微處理器。它的功能是連續讀取所述A/D轉換器的數據、控制并與所述 TMS320DSP引擎交換數據、并處理后的數據輸出給所述D/A轉換器。所述TMS320DS引擎是一種廣義的數字信號處理單元，它通常是TMS320系列 的數字信號處理器。它的功能通過運行其軟件來完成PGC載波調制信號的數字解 調。圖8給出了其實現PGC載波調制信號的數字解調的軟件流程，此流程所完成 的功能于實施例7相同，只是用數字的方法來實現模擬的運算。數字解調的歩驟如下831)當所述MPU微處理器單元822完成對所述 TMS320DSP引擎823的初始化后，就開始啟動其解調工作；832)從所述MPU微 處理器單元822讀取A/D (模/數)轉換的數據D(n)，并將保存求和結果的變量 Sum初始化為零:833) D(n)與G Coscot 相乘；834) D(n)與H Cos2cotn相乘; 835)數據通過第一FIR低通濾波器，輸出保存到變量Foutl中；836)數據通 過第二FIR低通濾波器，輸出保存到變量Fout2中；837)對Foutl求差分，保 存結果到Doutl; 838 )對Fout2求差分，保存結果到Dout2; 839 )作 Foutl*Dout2-Fout2*Doutl運算，即將一個低通濾波器的輸出與另一個低通濾波 器輸出信號的微分相乘，然后再將兩路的結果相減，結果保存到變量Aout中；840)對Aout與前一個求和結果Sum相加并用該相加結果更新Sum,代替實施例6 中的積分運算，；841)用Sum減去所有Sum的平均值，代替實施例6中的高通濾 波器；842)將解調的數據傳送給所述MPU微處理器單元。
權利要求
1、一種基于相位載波調制的光纖硅微傳聲器系統，包括激光光源、光纖、光纖耦合器(300)、傳聲器探頭(500)、光電探測器(700)；其特征在于，所述激光光源是一種相位載波調制的激光光源(100)；所述光纖包括輸入光纖(200)、傳輸光纖(400)和輸出光纖(600)；所述光纖耦合器(300)通過所述輸入光纖(200)與所述相位載波調制的激光光源(100)連接，并通過所述傳輸光纖(400)與所述傳聲器探頭(500)連接，并通過所述輸出光纖(600)與所述光電探測器(700)連接；所述光電探測器(700)與相位載波調制信號電子解調系統(800)通過電線或電纜連接；所述傳聲器探頭(500)包括梯度透鏡和帶有反光區域的振動膜，所述梯度透鏡的出射端面和振動膜上的反光區域平行放置，構成激光斐索干涉腔。
2、 按權利要求1所述的基于相位載波調制的光纖硅微傳聲器系統，其特征 在于，所述相位載波調制的激光光源(100)至少包括一個半導體激光器和一個 產生調制電流的振蕩器，在額定的發光功率范圍內，所述半導體激光器輸出的激 光光頻隨調制電流線性變化。
3、 按權利要求1所述的基于相位載波調制的光纖硅微傳聲器系統，其特征 在于，所述輸入光纖(200)、輸出光纖(600)和傳輸光纖(400)均為單模光纖。
4、 按權利要求1所述的基于相位載波調制的光纖硅微傳聲器系統，其特征 在于，所述光纖耦合器(300)是一種將注入光束分成光強相等的兩束光的耦合 器。
5、 按權利要求1所述的基于相位載波調制的光纖硅微傳聲器系統，其特征 在于，所述光電探測器是一種由PIN光電二極管組成的光電轉換電路。
6、 按權利要求1所述的基于相位載波調制的光纖硅微傳聲器系統，其特征 在于，所述相位載波調制信號電子解調系統(800)是一種將載波調制信號中的 音頻信號解調出來的電子信號處理系統。
7、 按權利要求1所述的基于相位載波調制的光纖硅微傳聲器系統，其特征 在于，所述傳聲器探頭(500)還包括斐索干涉腔支架(505)和MEMS傳感芯片; 所述斐索干涉腔支架(505)制作在MEMS傳感芯片硅基片的上表面或下表面上， 構成一個圓柱形的斐索干涉腔，所述梯虔透鏡(506)固定在斐索干涉腔支架上，該梯度透鏡(506)通過尾纖(508)與傳輸光纖(400)連接；所述反光區域制 作在MEMS傳感芯片的振動膜上。
全文摘要
本發明涉及一種基于相位載波調制的光纖硅微傳聲器系統，包括激光光源、光纖、光纖耦合器、傳聲器探頭、光電探測器；所述激光光源是一種相位載波調制的激光光源；光纖耦合器通過輸入光纖與相位載波調制的激光光源連接，并通過傳輸光纖與所述傳聲器探頭連接，并通過輸出光纖與所述光電探測器連接；所述傳聲器探頭包括梯度透鏡和帶有反光區域的振動膜，所述梯度透鏡的出射端面和振動膜上的反光區域平行放置，構成激光斐索干涉腔。本發明在靈敏度、動態范圍和信噪比等方面均優于使用光強度調制的傳感器；另外，本發明的光纖MEMS傳聲器在低頻響應、頻帶寬度、抗振動等方面優于傳統的駐極體傳聲器。
文檔編號H01S3/00GK101132653SQ20061011261
公開日2008年2月27日 申請日期2006年8月25日 優先權日2006年8月25日
發明者喬東海, 宮銘舉, 迪 張, 王孟姣, 靜 田 申請人:中國科學院聲學研究所