單偏振光纖聲光調(diào)制器

吳 畏，唐 詩，王智林，令狐梅傲，朱 吉，傅禮鵬

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

光纖聲光調(diào)制器作為激光應(yīng)用中一種基礎(chǔ)元器件，主要作用是對激光進(jìn)行脈沖調(diào)制、移頻，獲得后端系統(tǒng)所需要的光脈沖波形和激光頻率偏移。為滿足高偏振隔離度激光系統(tǒng)的要求，需要高偏振消光比的光纖聲光調(diào)制器，普通保偏光纖已無法滿足高偏振消光比光纖聲光調(diào)制器的研制需求。單偏振光纖通過專門設(shè)計(jì)與制造工藝，使光纖中構(gòu)成基模的兩個(gè)線偏振模之一為導(dǎo)模，可低損耗傳輸；另一個(gè)模因截止或產(chǎn)生嚴(yán)重泄漏而衰減，使這種光纖的輸出光始終只有一種單一的偏振模式的光纖[1]，從而使光纖達(dá)到起偏器的作用[2]。因此,采用單偏振光纖制作高偏振消光比光纖聲光調(diào)制器成為必要選擇。

本文介紹了一種全光纖耦合的單偏振光纖聲光調(diào)制器，同傳統(tǒng)光纖聲光調(diào)制器相比，光纖聲光調(diào)制器通過單偏振光纖耦合輸入輸出，能夠?qū)崿F(xiàn)高偏振消光比，在高偏振隔離度要求的激光系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 原理

圖1 光纖聲光調(diào)制器原理圖

單偏振光纖聲光調(diào)制器主要由器件和驅(qū)動(dòng)器兩部分組成，調(diào)制器工作原理如圖1所示。驅(qū)動(dòng)器輸出的載波功率信號作用在換能器上，激發(fā)超聲波耦合入聲光晶體，在介質(zhì)中產(chǎn)生折射率光柵，入射光經(jīng)過光纖準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后以布喇格角進(jìn)入聲光晶體時(shí)發(fā)生衍射，衍射光再經(jīng)過光纖耦合輸出。激光噪聲不能滿足器件的布喇格衍射條件，偏振噪聲在單偏振光纖中截止，使衍射光通過輸出端光纖準(zhǔn)直器耦合進(jìn)光纖的同時(shí)隔離了激光噪聲和偏振噪聲，從而輸出低噪聲的光脈沖。

2 設(shè)計(jì)

光纖聲光調(diào)制器的關(guān)鍵性指標(biāo)包括插入損耗、消光比、光脈沖上升時(shí)間tr，彼此相互制約，在進(jìn)行器件參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先考慮tr，再根據(jù)tr推導(dǎo)其他指標(biāo)。

2.1 光脈沖上升時(shí)間

tr由超聲波穿過光束的渡越時(shí)間τ、晶體內(nèi)光束發(fā)散角Δφ內(nèi)、聲束發(fā)散角Δθ、聲光晶體的聲速v及驅(qū)動(dòng)器上升時(shí)間共同決定。定義:

τ=d/v

(1)

式中d為光束束腰直徑。

Δθ=v/(Lf)

(2)

式中：L為聲光互作用長度;f為工作頻率。

光纖聲光調(diào)制器利用成對的光纖準(zhǔn)直器對入射光和衍射光進(jìn)行耦合，其

Δφ內(nèi)=4×λ/(nπd)

(3)

式中：λ為光波長；n為折射率。

圖2為tr/τ與聲光比發(fā)散角α的關(guān)系[3]。由圖可看出，τ一定時(shí)，α越小，則tr越小。同時(shí)由式(2)可知，α和f一定時(shí)，α取決于L，通過縮小L可減小α，L減小將導(dǎo)致衍射效率η下降，甚至不能滿足進(jìn)入布喇格衍射區(qū)的條件。因此,α的選取需綜合權(quán)衡tr和η，一般在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中取α=1，以便用較小的聲功率得到最佳的η。

圖2 tr/τ隨α值的變化

光脈沖上升時(shí)間為

tr=0.65τ(α≤1)

(4)

通過式(1)～(4)可計(jì)算出Lf，這時(shí)在選取L和f時(shí)需考慮:

1) 聲光晶體的1級衍射光和0級光要滿足嚴(yán)格可分離條件，以滿足高消光比指標(biāo)要求。

2) 在工作頻率下驅(qū)動(dòng)器上升時(shí)間能滿足要求。

3) 由于光纖聲光調(diào)制器工作于布喇格衍射區(qū)，L的選取還應(yīng)滿足L≥2L0(L0為聲光介質(zhì)材料的特征長度)，L0取決于產(chǎn)品的λ、f、介質(zhì)材料的n和v，即

L0=nv2/(λf2)

(5)

2.2 插入損耗

光纖聲光調(diào)制器的插入損耗決定產(chǎn)品所在系統(tǒng)光路的能量利用率，插入損耗越低，能量損失越少，能量利用率就越高。光纖聲光調(diào)制器的插入損耗由聲光晶體材料的光學(xué)透過率、光纖耦合損耗和聲光晶體的η共同決定，而聲光晶體的η是影響插入損耗最重要的因素。

產(chǎn)品器件設(shè)計(jì)為布喇格衍射模式，將聲光晶體1級衍射光作為器件的輸出光，布喇格衍射模式的1級光衍射效率為

(6)

式中:Δk為動(dòng)量失配系數(shù);M2為晶體材料聲光優(yōu)值;H為聲光互作用寬度;Pa為聲光互作用區(qū)域的超聲功率。

(7)

式中：TL為換能器損耗;α0為聲光晶體的聲衰減系數(shù);D為聲光互作用區(qū)域與換能器間的距離。

H的選取需要滿足大于光纖準(zhǔn)直器輸出的d，以保證聲光介質(zhì)內(nèi)部光場能完全被聲場包圍，提高光能量利用率。根據(jù)式(6)可知，H在滿足上述條件下應(yīng)盡可能小，以獲得更高的η。

對于單偏振光纖聲光調(diào)制器，光纖耦合損耗是其實(shí)現(xiàn)低插入損耗的關(guān)鍵，這將在光纖耦合工藝中詳述。

2.3 通斷消光比

器件的通斷消光比是指在未加載驅(qū)動(dòng)信號和加載等幅驅(qū)動(dòng)信號狀態(tài)下輸出端的光強(qiáng)之比，主要由器件0級泄露光耦合入輸出光纖的光強(qiáng)大小決定。為提高通斷消光比，在設(shè)計(jì)上我們需要考慮聲光晶體的1級衍射光和0級光要滿足嚴(yán)格可分離條件，使入射光和衍射光的分離角(Δφ)大于2倍輸出光束發(fā)散角(Δφ外),即

Δφ≥2×Δφ外

(8)

其中，光纖準(zhǔn)直器輸入、輸出光在聲光晶體外的發(fā)散角Δφ外

(9)

聲光晶體外的1級衍射光和0級光分離角Δφ，也為入射光和衍射光的分離角，則有：

Δφ=λf/v

(10)

3 單偏振光纖準(zhǔn)直器最佳耦合

光纖耦合工藝是對產(chǎn)品的輸入、輸出光纖進(jìn)行耦合，包含光強(qiáng)耦合和偏振耦合兩部分。對于普通的保偏光纖聲光調(diào)制器的耦合，已有一套成熟的方法，在初步對軸后進(jìn)行光纖耦合。利用偏振測試儀和光功率計(jì)進(jìn)行在線監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果修正準(zhǔn)直器位置以達(dá)到最大偏振消光比和最小插入損耗指標(biāo)，達(dá)到最佳的光強(qiáng)耦合和偏振耦合。圖3為保偏光纖器件耦合方法。

圖3 保偏光纖器件耦合方法

對于單偏振光纖準(zhǔn)直器，只有一個(gè)線偏振模能傳播，不同于保偏光纖對軸精度影響偏振消光比指標(biāo)，單偏振光纖對軸不準(zhǔn)會(huì)造成光功率的浪費(fèi)，最終影響插入損耗指標(biāo)。因此，實(shí)際工藝中需重點(diǎn)解決對軸精度的問題。圖4為不同對軸誤差對應(yīng)的插入損耗變化。

圖4 不同對軸誤差對應(yīng)的插入損耗變化

為解決對軸精度的問題，我們設(shè)計(jì)了一套調(diào)試方法。首先對輸入、輸出準(zhǔn)直器分別在偏振測試儀上進(jìn)行軸向校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后通過格蘭棱鏡測試輸出光功率，通過軸向旋轉(zhuǎn)對輸出光功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，待2個(gè)準(zhǔn)直器輸出光功率調(diào)至最大時(shí)，進(jìn)行成對耦合。經(jīng)過測試，該方法可實(shí)現(xiàn)成對耦合損耗小于0.5 dB。圖5為單偏振準(zhǔn)直器調(diào)試工藝。

圖5 單偏振準(zhǔn)直器調(diào)試工藝

4 器件制作與應(yīng)用

根據(jù)上述設(shè)計(jì)工藝方法，我們設(shè)計(jì)并制作了工作于1 064 nm波段的高速低插損單偏振光纖聲光調(diào)制器。將其應(yīng)用于單偏振的超快激光脈沖選擇系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)重頻50 MHz以上的超快脈沖激光選擇，并隔離偏振噪聲。圖6為樣品實(shí)測效果圖。表1為實(shí)測結(jié)果。

圖6 樣品實(shí)測效果圖

表1 實(shí)測結(jié)果

5 結(jié)束語

本文重點(diǎn)介紹了單偏振光纖聲光調(diào)制器的原理、設(shè)計(jì)方法、研制結(jié)果和應(yīng)用。所研制的單偏振光纖聲光調(diào)制器具有插入損耗低，消光比高，偏振消光比高的特點(diǎn)，是目前光纖聲光調(diào)制器的重要補(bǔ)充，可廣泛應(yīng)用于有高偏振隔離度要求的超快激光、光纖傳感、光纖陀螺[4]及原子冷卻等領(lǐng)域。