基于压电陶瓷光相位调制器的光纤微分干涉仪

    压电陶瓷(PZT)本身所固有的机2电耦合效应以及其较高的介电常数和压电系数,使其在实验研究和实际工程中都得到了广泛的应用^[1]。PZT的逆压电效应表明,当在PZT的两个极化面上加交流电,PZT将产生机械振动。利用PZT的逆压电效应设计的光相位调制器已被用于光纤系统的实验研究中,以对光的位相进行调制^[2–5]。本文首先介绍了PZT作为光相位调制器的原理,然后给出了采用PZT作为光相位调制器的光纤微分干涉仪实验系统,并对光纤微分干涉仪的工作原理进行了分析,最后对实验结果进行了数据分析。

    1　压电陶瓷及光相位调制器原理

    当信号发生器产生的正弦交流信号加在PZT的两个极面上时,由于PZT的逆压电效应,它会产生周期性的伸缩,即产生机械振动。

    PZT因径向应变而产生的伸缩量为

式中　l、Δl分别为PZT的周长和周长的变化量;d₃₁为压电应变系数;t为PZT的厚度;V为施加在PZT上的信号电压;V₀和f分别为信号电压的幅值和频率。

    光在光纤中传播时,其位相会随着传播的长度而产生相应的变化。当光纤长度发生变化时,光位相也会随之改变。当把一段光纤缠绕在PZT上时,PZT的机械振动会使缠绕在其上的光纤长度发生周期性的变化,从而导致传播光的位相也发生周期性的改变。光位相的变化Δφ为

式中　R为PZT的半径;N为缠绕在PZT上的光纤匝数;n、ξ分别为光纤纤芯有效折射率和光纤应变系数;λ0为自由空间的光波长;φm为最大位相差。

    式(2)即为PZT作为光相位调制器的原理。由式(2)可知,最大位相差与施加在PZT上的信号电压幅值有关。通过在PZT上施加交流信号,可实现PZT对传输光进行相位调制的目的,因此绕有一段光纤的PZT便构成了光相位调制器。

    2　压电陶瓷作为光相位调制器的应用

    2.1　光纤微分干涉仪实验系统的建立

    基于PZT的光相位调制器被用于光纤环镜中,可以构建光纤微分干涉仪。实验系统如图1所示。

     在光纤微分干涉仪实验系统中,PZT作为光相位调制器用来改变光的位相,用一段长度为2 km的延迟光纤来产生延迟时间,偏振控制器为调整两束光的偏振态使其处于正交状态。

    从激光光源输出的光在耦合器的输入端分两路进入光纤环镜中,沿顺时针和逆时针传播的两束光经PZT、延迟光纤和偏振控制器后,在耦合器的输出端产生干涉输出。输出光光强(I_out)被光电探测器探测到并转换为电压输出到示波器上显示出来。