压电陶瓷是怎么去拉动光纤这根线的?

我们平时看光纤,最容易想到的是传输。

把光从设备的一端送到另一端,损耗尽量小,信号尽量稳定。

但在光纤干涉仪和一些光纤传感设备里,工程师有时偏偏要做一件看起来相反的事:

主动把光纤拉长一点,再让它缩回去。

而且这个动作还要由电压精确控制。

完成这件事的器件,叫压电式光纤拉伸器。

为什么要拉一根已经接好的光纤?压电陶瓷在里面又承担了什么工作?

一、设备要调的,不是光纤的位置,而是光的"步调"

先看光纤干涉仪。

光被分到不同光路里传播,最后重新汇合。两路光到达时的相位关系,会影响最终看到的干涉信号。

如果其中一路的光程发生很小的变化,干涉信号就会跟着变化。

所以设备有时需要一个能听从电信号指令、连续微调光程的部件。

这就引出了光纤拉伸器:

既然光在光纤里传播,能不能直接改变一小段光纤的长度?

可以。

光纤拉伸器做的,就是把电压变成光纤的微小伸长,再把这段伸长变成可用的光相位变化。Paulsson-Optiphase销售的压电光纤拉伸器,就将干涉测量、传感器模拟和可变光延迟列为用途;其干涉仪产品也配有光纤拉伸器。Paulsson-Optiphase产品资料

二、压电陶瓷怎样拉动光纤?

一种常见产品结构,是把光纤绕在压电器件上。

给压电陶瓷施加电压,陶瓷产生微小形变;结构尺寸随之改变,绕在上面的光纤受到拉伸。电压变化,拉伸量也跟着变化。

整个过程可以写成:

驱动电压 → 压电形变 → 光纤伸长 → 光程变化 → 光相位变化

天津峻烽的PZT型相位调制器采用的就是光纤缠绕压电陶瓷的方案,并提供不同作用区长度的型号。天津峻烽产品资料

这里有个容易误会的地方。

产品名称叫"光纤拉伸器",不代表每一种产品内部都是相同形状的压电陶瓷,更不能看到圆形绕纤结构,就认定里面一定是压电叠堆。

这一篇先看"压电形变如何改变光程"这条基本路线。具体机械结构,我们下一篇再拆。

三、压电到底要表现得多好?

对这类器件来说,只说"位移精度高"还不够。

光学系统更关心的是:

给定一个电压,最终能产生多少相位变化?

还要继续问:

同样的电压反复施加,结果是否一致?驱动频率提高以后,相位变化还能不能跟上?工作时间变长、温度变化以后,控制关系会不会漂?

这些问题决定了它能否真正进入一套需要稳定工作的光学系统。

拿一款具体产品看。天津峻烽公布的PZT1型号,光纤作用区长度为 1.5米 ;在其标注的 1550纳米测试条件 下,低于5千赫时的相位调制常数为 0.6弧度/伏 ,资料同时注明该指标有 ±15% 的误差范围。天津峻烽产品资料

这组数字的意思是:厂商已经开始用"每伏电压能调多少光相位"来描述器件,而不只是告诉客户陶瓷本身移动了多少微米。

当然,它是PZT1这一型号、这一测试条件下的指标。换了绕纤长度、驱动频率或产品结构,不能直接照搬。

四、现在有什么具体应用?

一个比较直观的用途,是给分布式光纤振动监测设备提供测试信号。

这类设备原本要识别沿光纤传来的振动变化。设备研发和测试时,需要一个可以反复产生、频率又能调节的信号,看看系统能不能正确响应。

于是,压电光纤拉伸器也被做成了光纤振动模拟器。

给PZT输入设定好的电信号,它周期性拉动光纤,让测试设备接收到相应的相位变化。桂林光翼销售的PZT光纤振动模拟器,就将DAS/DVS设备的标定、算法调试和波形模拟列为应用。桂林光翼产品资料

注意这里的边界:

它证明了光纤拉伸器可以作为这类设备的测试器件,不等于所有投入现场运行的DAS主机内部,都装着一个PZT光纤拉伸器。

这两个市场位置要分开看。

五、为什么偏偏用压电?

因为光相位调节需要的是受电压控制的微小、快速变化。

压电陶瓷适合把电信号直接变成机械形变,再通过器件结构作用到光纤上。工程师不必为了调一点相位,去移动一整套庞大的光学平台。

但压电也不是"接上电就一定精准"。

实际产品还要面对陶瓷迟滞、温度变化、结构共振、光纤固定方式等问题。最终指标取决于陶瓷、绕纤结构、驱动电路和测试条件共同组成的器件,而不是只看一块PZT材料的参数。

所以研究这类产品,真正该追问的是:

它能否把输入的电压,稳定地转换成设备需要的相位变化?

结尾

一根光纤为什么需要压电陶瓷不停拉动?

因为在某些光学设备里,光纤同时也是一段可以精密调节的光路。

压电陶瓷只产生很小的机械形变,却能让光纤的光程发生变化,进而改变光的相位。

从外面看,它是在"拉一根线"。

放进系统里看,它做的是一件更关键的事:

让原本看不见的光相位,变成可以用电压调节的量。

下一篇,我们继续往器件内部看:光纤绕在压电结构上,究竟怎样把陶瓷的微小位移传递出去?

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