超高速光纖耦合聲光調制器的設計及其應用

陳華志 周建國 吳中超 吳 畏 劉保見 王智林 高維松 曹家強

(中國電子科技集團公司第二十六研究所 重慶 400060)

0 引言

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

FCAOM 的調制速度通過光脈沖上升時間指標來反映，按行業標準[1]定義為器件輸出光脈沖幅度從最大值的10%增大到90%所需的時間。器件的上升時間越小，調制速度越高。近年來隨著超快光纖激光器、水聽陣列系統等[2?4]技術的發展，需要配套的FCAOM 上升時間達到10 ns 以內。本文介紹了這種超高速FCAOM 的光脈沖時域響應理論設計，并通過器件制作及性能實測對理論設計仿真結果進行了驗證，最后對器件的幾種典型應用進行了介紹。

1 FCAOM的構成及工作原理

FCAOM 的構成及工作原理如圖1所示。載波功率信號(驅動器件工作的射頻信號，其頻率為器件的工作頻率)經匹配電路加載于壓電換能器上，激發相同頻率的超聲波耦合入聲光介質；超聲波對聲光介質的光學折射率進行周期性調制，形成折射率光柵；輸入連續光經過光纖透鏡1 導入折射率光柵中發生衍射，根據聲光效應入射光子、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，實現聲光移頻，移頻頻率在數值上等于器件的載波信號頻率；衍射光再通過光纖透鏡2 導入輸出光纖中向后傳輸；當載波信號受到周期性脈沖調制，介質中的聲場形成周期性脈沖序列依次穿越入射光場，使衍射光強度在時域上隨外部調制信號周期性變化，實現對輸入連續光的脈沖調制。

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

FCAOM 輸出光脈沖的上升時間取決于聲光介質內聲場脈沖波前穿越光場區域的渡越時間，受聲場在介質材料中的傳播速度及介質內光場區域的聚焦程度影響。高的聲傳輸速度和強的聚焦光束有利于實現小的光脈沖上升時間。聲傳輸速度是聲光介質材料的固有物理參數，由材料的種類和切向決定。為獲得小的光脈沖上升時間，一種途徑是選用高聲速的聲光介質材料及切向，所選的材料和切向還要具備高的聲光優值，以便獲得高的衍射效率，當前能夠同時滿足上述要求的介質材料種類和來源較少。本文采用另一種途徑，即在光纖端面安裝C-lens 透鏡對輸入光進行聚焦，通過理論計算FCAOM 的光脈沖時域響應，從器件參數設計的角度實現小于10 ns的光脈沖上升時間。

2 FCAOM光脈沖時域響應理論仿真方法

下面從C-lens 透鏡參數設計及介質內脈沖聲場與高斯光束的聲光互作用兩方面入手，建立FCAOM的光脈沖時域響應理論仿真方法。

2.1 C-lens透鏡參數設計

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，其光束傳輸規律如圖2所示，可由光學系統對伴軸光線的ABCD變換矩陣公式進行描述：

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

圖2中各參數間的關系見式(2)，n為透鏡折射率，λ為光波長：

圖2和式(2)表明，通過選用適當的C-lens透鏡規格，并精確控制光纖與透鏡之間的間隙，即能實現光束的靈活聚焦。

2.2 脈沖聲場與高斯光束的聲光互作用

在等幅單頻聲場作用下，單色平面光波入射到聲光介質折射率擾動區域，形成的一系列衍射光可通過耦合波方程來描述[5]。FCAOM 的工作狀態為脈沖調制狀態，聲場信號受到周期調制而非等幅信號，為簡化理論計算復雜度，設外部調制信號頻率為聲場頻率的N階次諧波，此時聲光介質內的折射率擾動形式為

式(3)中K為聲場的波數，?為聲場圓頻率，u′為聲光介質中的聲致折射率，u0為介質材料自身折射率，M為調制深度，此時將文獻[5]中的耦合波方程改寫為

式(4)中Em(x)為第m級衍射光振幅，L為聲光互作用深度。v、Q、α的物理意義及數學表達式在文獻[5]中已列出。通過式(4)實際描述了在外部調制信號作用下，輸入光為單色平面波時的各衍射級次光振幅分布情況，當j=N時，vj=v；當j=N ?1和N+1時，vj=Mv/2；當j為其他取值時，vj=0。

FCAOM 的輸入光經C-lens 透鏡聚焦后，在聲光介質中形成的光場分布為高斯光束而非單色平面波，因此在計算光脈沖時域響應時，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)對每一分量產生的衍射光振幅進行獨立求解，再通過逆傅里葉變換得到1 級衍射光振幅，最后通過時域積分得到器件的光脈沖響應。

3 器件設計

分別對1064 nm、1550 nm 兩個中心波長的FCAOM 進行設計。在材料選擇上，聲光介質選用性能優異、在聲光器件中較為常用的TeO2晶體，聲場模式選擇縱波模式，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，平均光學折射率2.26；光纖類型根據FCAOM的系統應用需求，分別選用PM980光纖和SMF 28e 光纖；透鏡選用常見的C-lens 透鏡，光學折射率為1.81，1064 nm 波長的透鏡曲率半徑為1.2，長度為2.55 mm；1550 nm波長的透鏡曲率半徑為1.42，長度為2.98 mm。

在確定了以上基本材料參數后，接下來確定光纖-透鏡間隙參數和器件的設計工作頻率。圖3計算了在不同光纖-透鏡間隙參數下，聲光介質內光束聚焦形成的光發散角以及FCAOM 理論可獲得的光脈沖上升時間。

圖3表明，隨著光纖-透鏡間隙的增大，對應的光脈沖上升時間理論值逐漸減小，當間隙參數分別增大到250 μm 和365 μm 以上時，兩個波長FCAOM 的光脈沖上升時間理論值都能達到10 ns以下。但與此同時，介質內的光發散角也隨著間隙的增大而近似線性增加。對聲光器件而言，過大的光束發散角將導致0 級光(非衍射光)和1 級衍射光出現空間重疊，使部分0 級光泄露進輸出光纖，引起通斷消光比性能參數下降，為改善這一情況需提高器件的工作頻率，使0 級光和1 級光在空間上嚴格分離[6]。圖4計算了兩個波長FCAOM在不同工作頻率和光纖-透鏡間隙參數下的通斷消光比。

盡管從圖4中可以看出，在相同間隙參數下，提高工作頻率能夠有效提高通斷消光比，但由于介質中聲能量的衰減與頻率的二次方呈正比[5]，高的設計工作頻率將引起大的聲衰減，聲光互作用過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的前提下，工作頻率的選擇應盡可能低。

圖3 聲光介質內光發散角、光脈沖上升時間理論值與光纖-透鏡間隙參數的關系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 的光脈沖時域響應理論仿真結果Fig.5 Optical pulse temporal response theoretical simulation results of the FCAOM

為使FCAOM 同時兼顧小于10 ns 的光脈沖上升時間和大于55 dB 的通斷消光比，FCAOM 的設計工作頻率確定為200 MHz，結合圖3和圖4，1064 nm 波長器件的光纖-透鏡間隙參數需控制在250 μm～278 μm之間；1550 nm 波長器件需控制在365 μm～395 μm 之間；經平衡各項指標，最終分別確定為261 μm 和388 μm。圖5為FCAOM 的光脈沖響應仿真結果，1064 nm 器件的光脈沖上升時間理論值為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 器件制作及性能實測結果

為驗證理論設計結果，分別制作了1064 nm、1550 nm 兩個中心波長的FCAOM 器件，器件的壓電換能器采用LN 晶片，利用真空壓焊技術鍵合于TeO2晶體上，利用專用工裝對C-lens透鏡與晶體間的空間位置進行耦合調試，并固化于器件管殼內，其中1064 nm 器件由于采用了保偏光纖輸入輸出，器件的光路耦合過程還包含了偏振耦合[6]。器件實物見圖6，實測光脈沖響應見圖7、圖8，器件全性能參數實測結果見表1。1064 nm 樣品實測上升時間為9.74 ns(平均值)，通斷消光比為61.26 dB；1550 nm器件實測上升時間為9.22 ns(平均值)，通斷消光比為56.81 dB；實測光脈沖上升時間與圖5的理論仿真結果偏差分別為0.34 ns和0.12 ns。

表1 器件實測性能參數Table1 The measured performance parameters of the devices

圖6 器件照片Fig.6 Photos of the devices

圖7 1064 nm 器件的實測光脈沖時域響應Fig.7 Measured optical pulse temporal response of the 1064 nm device

圖8 1550 nm 器件的實測光脈沖時域響應Fig.8 Measured optical pulse temporal response of the 1550 nm device

5 典型應用

5.1 超快光纖激光器選單應用

1064 nm 器件應用于超快光纖激光器中，實現對激光器種子源的高重頻光脈沖選單。它通過在時域上形成特定重復頻率(該重頻低于種子源光脈沖重頻)、單一脈沖寬度僅為數十納秒的時域通光窗口，讓所需的特定種子源脈沖通過，阻隔掉多余脈沖，從而降低種子源光脈沖的重復頻率[3]，如圖9所示。以50 MHz種子源光脈沖重頻為例進行說明，種子源相鄰脈沖間的時域間隔為20 ns，為實現脈沖選單，需要FCAOM輸出光脈沖幅度從0% 到100%的上升時間不超過20 ns，而這一數值為器件光脈沖上升時間指標的1.8 倍，即FCAOM 的光脈沖上升時間指標應不超過11.1 ns。國內某光纖激光器整機單位利用圖7的1064 nm 器件在超快光纖激光器原型機上進行了試驗，通過脈沖選單，實現了種子源光脈沖重頻從46.6 MHz到490.7 kHz的降頻。

圖9 FCAOM 對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 光纖水聽陣列時分復用系統應用

1550 nm 器件應用于光纖水聽陣列時分復用系統，通過對陣列的連續激光器進行脈沖調制，以實現各陣元信號之間在時域上不重疊的目的，如圖10 所示[4]。為提高系統攜帶陣列的能力，需要FCAOM 具有小的光脈沖上升時間。以系統重復頻率為512 kHz 的水聲探測陣列系統為例說明，單根光纖引導8 個水聽探測陣元，光脈沖占空比取50%，為實現各陣元間返回光脈沖在時域上相互分離，則單個光脈沖的底部時域寬度需要控制在120 ns 以內，除去系統數據采樣所需的脈沖平頂寬度，FCAOM時域響應幅度從0%到100% 的上升時間應控制在40～50 ns 之間，對應的器件光脈沖上升時間指標則應控制在22.2～27.7 ns 之間。當器件光脈沖上升時間指標提升到10 ns，則引導單個陣元所需光脈沖寬度降低一半，單根光纖在相同的系統條件下可引導16 個陣元，成陣規模擴大一倍，再通過與波分復用、空分復用技術相結合，成陣規模理論可擴展到數十到上百倍。

圖10 FCAOM 在光纖水聽陣列時分復用中的應用Fig.10 Application of FCAOM in time division multiplexing of fiber-optic hydrophone arrays

針對水聽應用還需特別注意的是，FCAOM 的輸出光脈沖頂部應盡可能做到平坦，以防止器件對水聽系統解調頻譜引入噪聲，這可以通過器件與載波信號源之間良好的阻抗匹配來實現。圖11為阻抗匹配不良導致的器件光脈沖時域響應失真，脈沖頂部的波紋會引起系統采樣幅度波動，經水聽系統解調后在解調頻譜中形成噪聲譜線，引發“虛警”，如圖12(a) 所示。圖12(b)為對圖6經良好阻抗匹配的器件輸出光脈沖解調后的頻譜，在0 Hz～10 kHz 系統探測頻率范圍內得到了干凈的解調譜線。

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

圖12 器件光脈沖響應失真對水聽系統解調頻譜的影響Fig.12 Influence of device optical pulse response distortion on demodulation spectrum of hydrophone system

5.3 潛在寬帶移頻應用

圖13 為1064 nm 和1550 nm 波 長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 為步進的等幅載波信號下的插入損耗實測結果。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，從結果中可以看出，兩個波長器件的3 dB 工作帶寬均超過了50 MHz，即器件具備50 MHz 寬帶移頻的應用潛力，在連續掃頻、跳頻激光信號的產生方面[7]具備潛在應用前景。

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 結論

本文介紹了FCAOM 光脈沖時域響應的理論仿真方法，并對中心波長分別為1064 nm 和1550 nm、上升時間小于10 ns 的FCAOM 進行了理論仿真設計。通過器件制作和性能參數測試，實測結果與理論仿真結果得到較好吻合。文中FCAOM所使用的聲光介質材料為聲光器件中應用廣泛的TeO2晶體，隨著今后更高聲速的高性能聲光介質材料發掘和使用，FCAOM 的光脈沖上升時間還能得到進一步降低。文末對FCAOM在超快激光器種子源光脈沖選單和光纖水聽陣列時分復用中的應用進行了介紹，并通過測試兩個波長器件的3 dB 工作帶寬，發現它們還具備50 MHz 寬帶移頻的應用潛力，可通過后續的應用研究進一步發掘。