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可调光纤-干涉仪特性实验

时间:2022-02-14 理论教育 版权反馈
【摘要】:光纤F-P干涉仪的反射谱或透射谱为梳状滤波谱,当微腔腔长发生变化时,谱线峰值波长随之改变。通过探测可调光纤F-P干涉仪的反射峰或透射峰峰值波长的变化量即可解调出腔长,继而得到作用在微腔上的外界参量。MOIFFP-TF2型可调光纤F-P干涉仪是一种利用压电陶瓷调节腔长的透射型干涉仪,波长范围为1260nm至1620nm。如图28-1所示,本实验所用MOIFFP-TF2型可调光纤F-P干涉仪即是将两个端面镀膜的单模光纤密封在一个压电陶瓷管道内。

光纤F-P干涉仪是将高反射率微腔制作在单模光纤上的F-P干涉仪,当相干光束沿光纤入射到此微腔时,光束在微腔的两端面多次反射形成多光束干涉。光纤F-P干涉仪的反射谱或透射谱为梳状滤波谱,当微腔腔长发生变化时,谱线峰值波长随之改变。当外界参量(力、电压、磁场等) 以一定方式作用于此微腔,通过改变外界参量可调节腔长,即构成了可调光纤F-P干涉仪或光纤F-P力/电压/磁场等传感器。通过探测可调光纤F-P干涉仪的反射峰或透射峰峰值波长的变化量即可解调出腔长,继而得到作用在微腔上的外界参量。

一、实验目的

(1) 理解光纤F-P干涉仪的构造和光学特性。

(2) 学习电压可调光纤F-P干涉仪(压变陶瓷型) 的传感原理。

二、主要实验仪器

MOIFFP-TF2型可调光纤F-P干涉仪,宽带光源SLED,光纤光谱仪,直流电源。

MOIFFP-TF2型可调光纤F-P干涉仪是一种利用压电陶瓷调节腔长的透射型干涉仪,波长范围为1260nm至1620nm。通过改变施加在压电陶瓷上的电压来调节自由谱宽FSR以及透过峰的中心波长。电压调节幅度0 ~18V。

三、实验原理

1. 光纤F-P干涉仪结构及其光谱特性

光纤F-P干涉仪可以分为本征型、非本征型以及线型复合腔型三类,最常见且目前应用最为广泛的是非本征型光纤F-P干涉仪。它由两个端面镀膜的单模光纤,端面严格平行、同轴,密封在一个特制管道内而成,如图28-1所示。这样,两个镀膜端面之间就构成了光学F-P腔。

图28-1 非本征型光纤F-P干涉仪结构

设两个端面的反射率均为R,入射光波长为λ。根据多光束干涉原理,F-P腔的透射率函数为:

式中,Φ为两束相邻透射光之间的相位差:

n为两个镀膜端面之间所夹材料的折射率,当微腔内材料是空气时,n=1。当相位差Φ为2π的整数倍时,透射率函数式取最大值T =1,对应的透射峰中心波长为:

可见在波域内,透射峰个数为无穷个,不同的m值对应不同的透射峰,取腔长L =12μm,根据式(28-1) 和式(28-2),在1450 ~1650nm范围内作出三种不同的端面的反射率下的透射率T关于波长λ的曲线,如图28-2所示。

图28-2 透过率曲线

由图28-2可见,F-P干涉仪透射谱为梳状滤波谱,定义相邻两透射峰之间的间隔为FSR,则在波域内:

在频域内,有:

由以上分析可得到如下结论。

(1) 在频域内FSR为常数,透射峰是等间距的。当腔长L减小,FSR增加,透射峰在频率轴上右移。

(2) 在波域内,FSR与波长有关。透射峰非等间距,随波长增加,间距也增加。当腔长L减小,FSR减小,透射峰在波长轴上左移。

2. 可调光纤F-P干涉仪传感原理

如图28-1所示,本实验所用MOIFFP-TF2型可调光纤F-P干涉仪即是将两个端面镀膜的单模光纤密封在一个压电陶瓷管道内。压电陶瓷受电场作用而产生的形变量与电场的关系为:

S =d E+ME2 (28-6)

式中,d为压电系数,M为电致伸缩系数,E为电场强度,S为形变量。式中第一项为逆压电效应,第二项为电致伸缩效应。当逆压电效应远大于电致伸缩效应时,略去第二项,压电陶瓷形变量(伸缩量) 与电场(外加电压) 成正比。伸缩方向为当所加电压增加时,压电陶瓷缩短,同时带动微腔腔长缩短。腔长变化量ΔL即为压电陶瓷伸缩量,与所加电压成正比,设未加电压时腔长为L0,则电压为U时腔长为:

L=L0+ΔL=L0-kU (28-7)

将式(28-7) 代入式(28-3),得到透射峰中心波长与电压的关系:

由式(28-8) 可知,对理想线性逆压变压电陶瓷,可调F-P干涉仪透射峰中心波长与所加电压成线性关系。且随外加电压增加,透射峰中心波长减小。对该线性关系进行定标后即可通过探测透射峰中心波长来测量电压。

四、实验内容

(1) 将SLED光源输出光通过光纤直接连接在光谱仪上,观察其输出光谱,测量中心波长与3d B带宽。

(2) 按照图28-3连接实验仪器。

图28-3 实验装置连接图

(3) 在不加电压时用光纤光谱仪观测透过F-P干涉仪的光功率曲线,测量不加电压时的自由谱宽FSR。根据式(28-4) 估算不加电压时的腔长L0

(4) 增加电压U,从零开始逐渐增加到15V,在光谱仪上观察1500 ~1600nm波段上透射峰移动情况。在该波段上可能出现1~2个透射峰,在增加电压的过程中,至少有一个透射峰不会移出该波段。跟踪该透射峰,再一次从零开始将电压逐渐调至15V,每隔0.5V测量一次该透射峰波长λT。将测量结果填入表28-1中。根据表格中的数据作λT-U曲线,验证二者之间的线性关系,并计算A和B,给出线性拟合方程。

五、数据处理

表28-1 电压-峰值波长测量表格

六、思考题

(1) 光谱仪测得的透过光功率曲线与F-P干涉仪的透射率曲线形状一致吗?为什么?

(2) 当改变电压时,光谱仪测得的峰值功率为何会发生变化?当电压较大时,透过峰为何会功率过小而探测不到?

(3) 若在频域内观察,电压-透射峰频率之间是线性关系吗?

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