超高速光纖耦合聲光調(diào)制器的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

陳華志 周建國(guó) 吳中超 吳 畏 劉保見(jiàn) 王智林 高維松 曹家強(qiáng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所 重慶 400060)

0 引言

光纖耦合聲光調(diào)制器(Fiber coupled acoustooptic modulator, FCAOM)是一種重要的光調(diào)制器件，它基于體波聲光互作用原理，同時(shí)具備光脈沖幅度調(diào)制和光頻移的能力，被廣泛應(yīng)用于光纖傳感系統(tǒng)、光纖激光器等領(lǐng)域。

FCAOM 的調(diào)制速度通過(guò)光脈沖上升時(shí)間指標(biāo)來(lái)反映，按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]定義為器件輸出光脈沖幅度從最大值的10%增大到90%所需的時(shí)間。器件的上升時(shí)間越小，調(diào)制速度越高。近年來(lái)隨著超快光纖激光器、水聽(tīng)陣列系統(tǒng)等[2?4]技術(shù)的發(fā)展，需要配套的FCAOM 上升時(shí)間達(dá)到10 ns 以?xún)?nèi)。本文介紹了這種超高速FCAOM 的光脈沖時(shí)域響應(yīng)理論設(shè)計(jì)，并通過(guò)器件制作及性能實(shí)測(cè)對(duì)理論設(shè)計(jì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，最后對(duì)器件的幾種典型應(yīng)用進(jìn)行了介紹。

1 FCAOM的構(gòu)成及工作原理

FCAOM 的構(gòu)成及工作原理如圖1所示。載波功率信號(hào)(驅(qū)動(dòng)器件工作的射頻信號(hào)，其頻率為器件的工作頻率)經(jīng)匹配電路加載于壓電換能器上，激發(fā)相同頻率的超聲波耦合入聲光介質(zhì)；超聲波對(duì)聲光介質(zhì)的光學(xué)折射率進(jìn)行周期性調(diào)制，形成折射率光柵；輸入連續(xù)光經(jīng)過(guò)光纖透鏡1 導(dǎo)入折射率光柵中發(fā)生衍射，根據(jù)聲光效應(yīng)入射光子、衍射光子與聲子之間的能量守恒定律，超聲波頻率被疊加到入射光頻上，實(shí)現(xiàn)聲光移頻，移頻頻率在數(shù)值上等于器件的載波信號(hào)頻率；衍射光再通過(guò)光纖透鏡2 導(dǎo)入輸出光纖中向后傳輸；當(dāng)載波信號(hào)受到周期性脈沖調(diào)制，介質(zhì)中的聲場(chǎng)形成周期性脈沖序列依次穿越入射光場(chǎng)，使衍射光強(qiáng)度在時(shí)域上隨外部調(diào)制信號(hào)周期性變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入連續(xù)光的脈沖調(diào)制。

圖1 FCAOM 的構(gòu)成及工作原理Fig.1 The composition and working principle of the FACOM

FCAOM 輸出光脈沖的上升時(shí)間取決于聲光介質(zhì)內(nèi)聲場(chǎng)脈沖波前穿越光場(chǎng)區(qū)域的渡越時(shí)間，受聲場(chǎng)在介質(zhì)材料中的傳播速度及介質(zhì)內(nèi)光場(chǎng)區(qū)域的聚焦程度影響。高的聲傳輸速度和強(qiáng)的聚焦光束有利于實(shí)現(xiàn)小的光脈沖上升時(shí)間。聲傳輸速度是聲光介質(zhì)材料的固有物理參數(shù)，由材料的種類(lèi)和切向決定。為獲得小的光脈沖上升時(shí)間，一種途徑是選用高聲速的聲光介質(zhì)材料及切向，所選的材料和切向還要具備高的聲光優(yōu)值，以便獲得高的衍射效率，當(dāng)前能夠同時(shí)滿足上述要求的介質(zhì)材料種類(lèi)和來(lái)源較少。本文采用另一種途徑，即在光纖端面安裝C-lens 透鏡對(duì)輸入光進(jìn)行聚焦，通過(guò)理論計(jì)算FCAOM 的光脈沖時(shí)域響應(yīng)，從器件參數(shù)設(shè)計(jì)的角度實(shí)現(xiàn)小于10 ns的光脈沖上升時(shí)間。

2 FCAOM光脈沖時(shí)域響應(yīng)理論仿真方法

下面從C-lens 透鏡參數(shù)設(shè)計(jì)及介質(zhì)內(nèi)脈沖聲場(chǎng)與高斯光束的聲光互作用兩方面入手，建立FCAOM的光脈沖時(shí)域響應(yīng)理論仿真方法。

2.1 C-lens透鏡參數(shù)設(shè)計(jì)

FCAOM 光路采用基橫模高斯光束的單模光纖耦合，光纖端面加裝C-lens透鏡后，其光束傳輸規(guī)律如圖2所示，可由光學(xué)系統(tǒng)對(duì)伴軸光線的ABCD變換矩陣公式進(jìn)行描述：

圖2 光纖端面加裝C-lens 透鏡后的光束傳輸規(guī)律Fig.2 Optical beam transmission after installing C-lens on fiber end face

圖2中各參數(shù)間的關(guān)系見(jiàn)式(2)，n為透鏡折射率，λ為光波長(zhǎng)：

圖2和式(2)表明，通過(guò)選用適當(dāng)?shù)腃-lens透鏡規(guī)格，并精確控制光纖與透鏡之間的間隙，即能實(shí)現(xiàn)光束的靈活聚焦。

2.2 脈沖聲場(chǎng)與高斯光束的聲光互作用

在等幅單頻聲場(chǎng)作用下，單色平面光波入射到聲光介質(zhì)折射率擾動(dòng)區(qū)域，形成的一系列衍射光可通過(guò)耦合波方程來(lái)描述[5]。FCAOM 的工作狀態(tài)為脈沖調(diào)制狀態(tài)，聲場(chǎng)信號(hào)受到周期調(diào)制而非等幅信號(hào)，為簡(jiǎn)化理論計(jì)算復(fù)雜度，設(shè)外部調(diào)制信號(hào)頻率為聲場(chǎng)頻率的N階次諧波，此時(shí)聲光介質(zhì)內(nèi)的折射率擾動(dòng)形式為

式(3)中K為聲場(chǎng)的波數(shù)，?為聲場(chǎng)圓頻率，u′為聲光介質(zhì)中的聲致折射率，u0為介質(zhì)材料自身折射率，M為調(diào)制深度，此時(shí)將文獻(xiàn)[5]中的耦合波方程改寫(xiě)為

式(4)中Em(x)為第m級(jí)衍射光振幅，L為聲光互作用深度。v、Q、α的物理意義及數(shù)學(xué)表達(dá)式在文獻(xiàn)[5]中已列出。通過(guò)式(4)實(shí)際描述了在外部調(diào)制信號(hào)作用下，輸入光為單色平面波時(shí)的各衍射級(jí)次光振幅分布情況，當(dāng)j=N時(shí)，vj=v；當(dāng)j=N ?1和N+1時(shí)，vj=Mv/2；當(dāng)j為其他取值時(shí)，vj=0。

FCAOM 的輸入光經(jīng)C-lens 透鏡聚焦后，在聲光介質(zhì)中形成的光場(chǎng)分布為高斯光束而非單色平面波，因此在計(jì)算光脈沖時(shí)域響應(yīng)時(shí)，需要利用傅里葉變換將高斯光束分解為一系列單色平面波分量，由式(4)對(duì)每一分量產(chǎn)生的衍射光振幅進(jìn)行獨(dú)立求解，再通過(guò)逆傅里葉變換得到1 級(jí)衍射光振幅，最后通過(guò)時(shí)域積分得到器件的光脈沖響應(yīng)。

3 器件設(shè)計(jì)

分別對(duì)1064 nm、1550 nm 兩個(gè)中心波長(zhǎng)的FCAOM 進(jìn)行設(shè)計(jì)。在材料選擇上，聲光介質(zhì)選用性能優(yōu)異、在聲光器件中較為常用的TeO2晶體，聲場(chǎng)模式選擇縱波模式，晶體通聲方向沿縱波聲速較高的[001]軸方向，聲速為4200 m/s；晶體通光方向沿[110]軸方向，平均光學(xué)折射率2.26；光纖類(lèi)型根據(jù)FCAOM的系統(tǒng)應(yīng)用需求，分別選用PM980光纖和SMF 28e 光纖；透鏡選用常見(jiàn)的C-lens 透鏡，光學(xué)折射率為1.81，1064 nm 波長(zhǎng)的透鏡曲率半徑為1.2，長(zhǎng)度為2.55 mm；1550 nm波長(zhǎng)的透鏡曲率半徑為1.42，長(zhǎng)度為2.98 mm。

在確定了以上基本材料參數(shù)后，接下來(lái)確定光纖-透鏡間隙參數(shù)和器件的設(shè)計(jì)工作頻率。圖3計(jì)算了在不同光纖-透鏡間隙參數(shù)下，聲光介質(zhì)內(nèi)光束聚焦形成的光發(fā)散角以及FCAOM 理論可獲得的光脈沖上升時(shí)間。

圖3表明，隨著光纖-透鏡間隙的增大，對(duì)應(yīng)的光脈沖上升時(shí)間理論值逐漸減小，當(dāng)間隙參數(shù)分別增大到250 μm 和365 μm 以上時(shí)，兩個(gè)波長(zhǎng)FCAOM 的光脈沖上升時(shí)間理論值都能達(dá)到10 ns以下。但與此同時(shí)，介質(zhì)內(nèi)的光發(fā)散角也隨著間隙的增大而近似線性增加。對(duì)聲光器件而言，過(guò)大的光束發(fā)散角將導(dǎo)致0 級(jí)光(非衍射光)和1 級(jí)衍射光出現(xiàn)空間重疊，使部分0 級(jí)光泄露進(jìn)輸出光纖，引起通斷消光比性能參數(shù)下降，為改善這一情況需提高器件的工作頻率，使0 級(jí)光和1 級(jí)光在空間上嚴(yán)格分離[6]。圖4計(jì)算了兩個(gè)波長(zhǎng)FCAOM在不同工作頻率和光纖-透鏡間隙參數(shù)下的通斷消光比。

盡管從圖4中可以看出，在相同間隙參數(shù)下，提高工作頻率能夠有效提高通斷消光比，但由于介質(zhì)中聲能量的衰減與頻率的二次方呈正比[5]，高的設(shè)計(jì)工作頻率將引起大的聲衰減，聲光互作用過(guò)程難以獲得高的衍射效率，器件插入損耗大，因此在滿足通斷消光比指標(biāo)的前提下，工作頻率的選擇應(yīng)盡可能低。

圖3 聲光介質(zhì)內(nèi)光發(fā)散角、光脈沖上升時(shí)間理論值與光纖-透鏡間隙參數(shù)的關(guān)系Fig.3 The divergence angle of light in the acousto-optic medium, and the theoretical rise time as functions of the fiber-lens gap parameter

圖4 在不同工作頻率、光纖-透鏡間隙參數(shù)下的通斷消光比理論值Fig.4 The theoretical extinction ratio under different working frequencies and fiber-lens gap parameters

圖5 FCAOM 的光脈沖時(shí)域響應(yīng)理論仿真結(jié)果Fig.5 Optical pulse temporal response theoretical simulation results of the FCAOM

為使FCAOM 同時(shí)兼顧小于10 ns 的光脈沖上升時(shí)間和大于55 dB 的通斷消光比，F(xiàn)CAOM 的設(shè)計(jì)工作頻率確定為200 MHz，結(jié)合圖3和圖4，1064 nm 波長(zhǎng)器件的光纖-透鏡間隙參數(shù)需控制在250 μm～278 μm之間；1550 nm 波長(zhǎng)器件需控制在365 μm～395 μm 之間；經(jīng)平衡各項(xiàng)指標(biāo)，最終分別確定為261 μm 和388 μm。圖5為FCAOM 的光脈沖響應(yīng)仿真結(jié)果，1064 nm 器件的光脈沖上升時(shí)間理論值為9.4 ns，通斷消光比理論值為62.7 dB；1550 nm器件的光脈沖上升時(shí)間理論值為9.1 ns，通斷消光比理論值為57.1 dB。

4 器件制作及性能實(shí)測(cè)結(jié)果

為驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)結(jié)果，分別制作了1064 nm、1550 nm 兩個(gè)中心波長(zhǎng)的FCAOM 器件，器件的壓電換能器采用LN 晶片，利用真空壓焊技術(shù)鍵合于TeO2晶體上，利用專(zhuān)用工裝對(duì)C-lens透鏡與晶體間的空間位置進(jìn)行耦合調(diào)試，并固化于器件管殼內(nèi)，其中1064 nm 器件由于采用了保偏光纖輸入輸出，器件的光路耦合過(guò)程還包含了偏振耦合[6]。器件實(shí)物見(jiàn)圖6，實(shí)測(cè)光脈沖響應(yīng)見(jiàn)圖7、圖8，器件全性能參數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。1064 nm 樣品實(shí)測(cè)上升時(shí)間為9.74 ns(平均值)，通斷消光比為61.26 dB；1550 nm器件實(shí)測(cè)上升時(shí)間為9.22 ns(平均值)，通斷消光比為56.81 dB；實(shí)測(cè)光脈沖上升時(shí)間與圖5的理論仿真結(jié)果偏差分別為0.34 ns和0.12 ns。

表1 器件實(shí)測(cè)性能參數(shù)Table1 The measured performance parameters of the devices

圖6 器件照片F(xiàn)ig.6 Photos of the devices

圖7 1064 nm 器件的實(shí)測(cè)光脈沖時(shí)域響應(yīng)Fig.7 Measured optical pulse temporal response of the 1064 nm device

圖8 1550 nm 器件的實(shí)測(cè)光脈沖時(shí)域響應(yīng)Fig.8 Measured optical pulse temporal response of the 1550 nm device

5 典型應(yīng)用

5.1 超快光纖激光器選單應(yīng)用

1064 nm 器件應(yīng)用于超快光纖激光器中，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器種子源的高重頻光脈沖選單。它通過(guò)在時(shí)域上形成特定重復(fù)頻率(該重頻低于種子源光脈沖重頻)、單一脈沖寬度僅為數(shù)十納秒的時(shí)域通光窗口，讓所需的特定種子源脈沖通過(guò)，阻隔掉多余脈沖，從而降低種子源光脈沖的重復(fù)頻率[3]，如圖9所示。以50 MHz種子源光脈沖重頻為例進(jìn)行說(shuō)明，種子源相鄰脈沖間的時(shí)域間隔為20 ns，為實(shí)現(xiàn)脈沖選單，需要FCAOM輸出光脈沖幅度從0% 到100%的上升時(shí)間不超過(guò)20 ns，而這一數(shù)值為器件光脈沖上升時(shí)間指標(biāo)的1.8 倍，即FCAOM 的光脈沖上升時(shí)間指標(biāo)應(yīng)不超過(guò)11.1 ns。國(guó)內(nèi)某光纖激光器整機(jī)單位利用圖7的1064 nm 器件在超快光纖激光器原型機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)，通過(guò)脈沖選單，實(shí)現(xiàn)了種子源光脈沖重頻從46.6 MHz到490.7 kHz的降頻。

圖9 FCAOM 對(duì)50 MHz 高重頻的光脈沖選單Fig.9 FCAOM for 50 MHz high repetition frequency optical pulses picking

5.2 光纖水聽(tīng)陣列時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)應(yīng)用

1550 nm 器件應(yīng)用于光纖水聽(tīng)陣列時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)陣列的連續(xù)激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)各陣元信號(hào)之間在時(shí)域上不重疊的目的，如圖10 所示[4]。為提高系統(tǒng)攜帶陣列的能力，需要FCAOM 具有小的光脈沖上升時(shí)間。以系統(tǒng)重復(fù)頻率為512 kHz 的水聲探測(cè)陣列系統(tǒng)為例說(shuō)明，單根光纖引導(dǎo)8 個(gè)水聽(tīng)探測(cè)陣元，光脈沖占空比取50%，為實(shí)現(xiàn)各陣元間返回光脈沖在時(shí)域上相互分離，則單個(gè)光脈沖的底部時(shí)域?qū)挾刃枰刂圃?20 ns 以?xún)?nèi)，除去系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣所需的脈沖平頂寬度，F(xiàn)CAOM時(shí)域響應(yīng)幅度從0%到100% 的上升時(shí)間應(yīng)控制在40～50 ns 之間，對(duì)應(yīng)的器件光脈沖上升時(shí)間指標(biāo)則應(yīng)控制在22.2～27.7 ns 之間。當(dāng)器件光脈沖上升時(shí)間指標(biāo)提升到10 ns，則引導(dǎo)單個(gè)陣元所需光脈沖寬度降低一半，單根光纖在相同的系統(tǒng)條件下可引導(dǎo)16 個(gè)陣元，成陣規(guī)模擴(kuò)大一倍，再通過(guò)與波分復(fù)用、空分復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，成陣規(guī)模理論可擴(kuò)展到數(shù)十到上百倍。

圖10 FCAOM 在光纖水聽(tīng)陣列時(shí)分復(fù)用中的應(yīng)用Fig.10 Application of FCAOM in time division multiplexing of fiber-optic hydrophone arrays

針對(duì)水聽(tīng)?wèi)?yīng)用還需特別注意的是，F(xiàn)CAOM 的輸出光脈沖頂部應(yīng)盡可能做到平坦，以防止器件對(duì)水聽(tīng)系統(tǒng)解調(diào)頻譜引入噪聲，這可以通過(guò)器件與載波信號(hào)源之間良好的阻抗匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖11為阻抗匹配不良導(dǎo)致的器件光脈沖時(shí)域響應(yīng)失真，脈沖頂部的波紋會(huì)引起系統(tǒng)采樣幅度波動(dòng)，經(jīng)水聽(tīng)系統(tǒng)解調(diào)后在解調(diào)頻譜中形成噪聲譜線，引發(fā)“虛警”，如圖12(a) 所示。圖12(b)為對(duì)圖6經(jīng)良好阻抗匹配的器件輸出光脈沖解調(diào)后的頻譜，在0 Hz～10 kHz 系統(tǒng)探測(cè)頻率范圍內(nèi)得到了干凈的解調(diào)譜線。

圖11 器件阻抗匹配不良導(dǎo)致的光脈沖響應(yīng)失真Fig.11 Optical pulse response distortion due to poor device impedance matching

圖12 器件光脈沖響應(yīng)失真對(duì)水聽(tīng)系統(tǒng)解調(diào)頻譜的影響Fig.12 Influence of device optical pulse response distortion on demodulation spectrum of hydrophone system

5.3 潛在寬帶移頻應(yīng)用

圖13 為1064 nm 和1550 nm 波 長(zhǎng)FCAOM 分別在加載功率為1.8 W 和2.2 W、 頻率范圍170 MHz～240 MHz、以5 MHz 為步進(jìn)的等幅載波信號(hào)下的插入損耗實(shí)測(cè)結(jié)果。定義器件插入損耗從中心工作頻率處增大3 dB 的頻率范圍為器件的3 dB 工作帶寬，從結(jié)果中可以看出，兩個(gè)波長(zhǎng)器件的3 dB 工作帶寬均超過(guò)了50 MHz，即器件具備50 MHz 寬帶移頻的應(yīng)用潛力，在連續(xù)掃頻、跳頻激光信號(hào)的產(chǎn)生方面[7]具備潛在應(yīng)用前景。

圖13 1064 nm、1550 nm 器件的3 dB 工作帶寬Fig.13 3 dB operating bandwidth of the 1064 nm and 1550 nm devices

6 結(jié)論

本文介紹了FCAOM 光脈沖時(shí)域響應(yīng)的理論仿真方法，并對(duì)中心波長(zhǎng)分別為1064 nm 和1550 nm、上升時(shí)間小于10 ns 的FCAOM 進(jìn)行了理論仿真設(shè)計(jì)。通過(guò)器件制作和性能參數(shù)測(cè)試，實(shí)測(cè)結(jié)果與理論仿真結(jié)果得到較好吻合。文中FCAOM所使用的聲光介質(zhì)材料為聲光器件中應(yīng)用廣泛的TeO2晶體，隨著今后更高聲速的高性能聲光介質(zhì)材料發(fā)掘和使用，F(xiàn)CAOM 的光脈沖上升時(shí)間還能得到進(jìn)一步降低。文末對(duì)FCAOM在超快激光器種子源光脈沖選單和光纖水聽(tīng)陣列時(shí)分復(fù)用中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，并通過(guò)測(cè)試兩個(gè)波長(zhǎng)器件的3 dB 工作帶寬，發(fā)現(xiàn)它們還具備50 MHz 寬帶移頻的應(yīng)用潛力，可通過(guò)后續(xù)的應(yīng)用研究進(jìn)一步發(fā)掘。