可调光纤－干涉仪特性实验

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，对理想的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?