基于磷化銦材料的高速光纖聲光調(diào)制器

朱 吉，吳 畏，王智林，楊 濤

(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

光纖水聽器是一種建立在光纖、光電子技術(shù)基礎(chǔ)上的水下聲信號(hào)傳感器。它因具有靈敏度高，響應(yīng)頻帶寬，抗電磁干擾，可實(shí)現(xiàn)水下濕端無源探測(cè)和易于大規(guī)模組陣等優(yōu)點(diǎn)，故而成為水聲探測(cè)技術(shù)發(fā)展的重要方向[1]，并廣泛應(yīng)用于潛艇聲吶、艦載聲吶、岸基聲吶等水面/水下目標(biāo)探測(cè)、預(yù)警、跟蹤系統(tǒng)中。光纖水聽器時(shí)分復(fù)用技術(shù)是大規(guī)模組陣的核心技術(shù)之一。高速光纖聲光調(diào)制器具有高調(diào)制速度，低插入損耗，高通斷消光比，同時(shí)兼顧光脈沖幅度調(diào)制和光頻移的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是光纖水聽陣列信號(hào)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)外差探測(cè)及時(shí)分復(fù)用的核心器件。

磷化銦(InP)晶體因具有聲光優(yōu)值(M2)高，聲速大，聲衰減系數(shù)小， 硬度高，熱穩(wěn)定性好及光學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)而成為制作高頻、高速聲光調(diào)制器的優(yōu)良材料之一。

1 光纖聲光調(diào)制器原理

功率信號(hào)作用在換能器上，激發(fā)超聲波耦合入聲光互作用介質(zhì)，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)直后進(jìn)入聲光互作用介質(zhì)時(shí)發(fā)生衍射，衍射光再通過輸出端光纖準(zhǔn)直器耦合進(jìn)光纖。光纖聲光調(diào)制器主要由阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、聲光互作用、光纖準(zhǔn)直器等組成,其工作原理如圖1所示。

圖1 光纖聲光調(diào)制器工作原理

在光脈沖調(diào)制應(yīng)用中，利用外部調(diào)制信號(hào)改變驅(qū)動(dòng)器載波功率信號(hào)的幅度，就可以控制聲光互作用介質(zhì)中聲場(chǎng)的強(qiáng)度，從而控制衍射光的光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入連續(xù)光的幅度調(diào)制，如圖2所示。

圖2 聲光調(diào)制器的光脈沖調(diào)制功能

入射光經(jīng)光纖準(zhǔn)直器后在晶體中的束腰直徑為d0, 超聲波在晶體內(nèi)的傳輸速度為v，根據(jù)經(jīng)典解析設(shè)計(jì)公式，器件的光脈沖上升時(shí)間tr為

(1)

(2)

圖3 C(a)與a的關(guān)系

由式(1)可得，減小入射光的束腰直徑或選擇聲速較大的聲光晶體材料可降低tr。為提高衍射光的消光比，調(diào)制器常采用嚴(yán)格可分離條件[2]，即

θ≥2·Δφ

(3)

式中θ為衍射光和0級(jí)光之間的夾角，即

(4)

式中:λ0為光波長(zhǎng);f0為工作頻率。將Δφ、θ和tr代入式(3)可得

(5)

從式(5)可看出，tr越小，要求聲光調(diào)制器的工作頻率越高。

衍射效率是指1級(jí)衍射光的光強(qiáng)占透過聲光晶體總光強(qiáng)的百分比。光纖聲光調(diào)制器工作模式為布喇格衍射，因此，器件的衍射效率為

(6)

式中：Pa為驅(qū)動(dòng)聲功率；H為光孔徑;L為聲光互作用長(zhǎng)度。從式(6)可得，在其他條件相同情況下，聲光晶體材料的M2越高，光纖聲光調(diào)制器的η越高，產(chǎn)品的插損越小。

2 光纖聲光調(diào)制器設(shè)計(jì)

2.1 聲光晶體材料選擇

聲光晶體材料是聲波和入射光相互作用的場(chǎng)所，聲光晶體材料性能決定了光纖聲光調(diào)制器的性能。在設(shè)計(jì)聲光器件時(shí)，根據(jù)指標(biāo)要求，綜合分析材料的性能，選擇最合適的材料來設(shè)計(jì)產(chǎn)品。

表1為幾種常用的聲光晶體材料參數(shù)。對(duì)于高頻、高速聲光調(diào)制器，我們?cè)谶x擇聲光晶體材料時(shí)主要考察M2、聲速、聲衰減系數(shù)，同時(shí)還要考慮材料的透明區(qū)、穩(wěn)定性等。

表1 聲光晶體材料的性能參數(shù)

通過式(1)、(6)的分析，若要提高光纖聲光調(diào)制器光脈沖上升時(shí)間和衍射效率，則需要選擇聲速大、聲光優(yōu)值高的聲光晶體材料。通過式(5)分析，若要提高光纖聲光調(diào)制器光脈沖上升時(shí)間，則需提高光纖聲光調(diào)制器的工作頻率，從而要求聲衰減系數(shù)盡量小。通過查找表1發(fā)現(xiàn)，材料TeO2、GaP、InP較適合。GaP的M2較高，聲速大，聲衰減系數(shù)較小，光學(xué)透過率較差；TeO2的M2較低，聲速較小，其聲衰減系數(shù)較大，光學(xué)性能優(yōu)良；InP的M2高，聲速較大，其聲衰減系數(shù)較小，光學(xué)性能優(yōu)良。因此，InP是最合適的聲光晶體材料。

2.2 光纖聲光調(diào)制器參數(shù)設(shè)計(jì)

圖4 聲光晶體鍵合膜系結(jié)構(gòu)

光纖聲光高速調(diào)制器換能器的鍵合膜系結(jié)構(gòu)如圖4所示。頂電極層位于壓電換能器上表面，是換能器的射頻輸入電極。底電極層位于聲光介質(zhì)與換能器之間,由兩層襯底層和一層鍵合層組成。底電極層既是聲學(xué)增透層，又充當(dāng)換能器接地電極，因此，材料的選擇除了滿足阻抗匹配外，還必須具有良好的導(dǎo)電性。

聲光晶體換能器工作在厚度驅(qū)動(dòng)模式，聲場(chǎng)從換能器到聲光介質(zhì)的耦合效率由換能器損耗(TL)來表征。它取決于各聲學(xué)層材料的聲阻抗(Zn)、相移(γn)和器件的f0，與各聲學(xué)層材料聲速(vn)、密度(ρn)和厚度(ln)有關(guān)。

只有對(duì)各聲學(xué)層材料和ln作適當(dāng)控制后，超聲波才能高效地耦合入聲光介質(zhì)，得到較高的衍射效率。

各聲學(xué)層聲阻抗定義為

Zn=Snρnvn

(7)

式中Sn為超聲波波束在各聲學(xué)層的截面面積。

各聲學(xué)層相移定義為

(8)

利用瑪森等效電路模擬頂電極層和換能器的聲學(xué)傳遞矩陣(A0)，利用傳輸線網(wǎng)絡(luò)矩陣模擬底電極層聲學(xué)傳遞矩陣(A4～A6)，并將聲光晶體考慮為負(fù)載(Z7)，建立光纖聲光調(diào)制器換能器鍵合結(jié)構(gòu)的等效電路網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。圖中，Zi為電端輸入阻抗，U為電端輸入信號(hào)電壓,I為電端輸入信號(hào)電流,F為聲端作用力。

圖5 換能器鍵合結(jié)構(gòu)等效電路網(wǎng)絡(luò)

An定義為各等效電路部分傳遞矩陣：

(9)

式中C1～C4為傳遞矩陣修正系數(shù)，光纖聲光調(diào)制器的換能器等效電路網(wǎng)絡(luò)總傳遞矩陣A為

(10)

光纖聲光調(diào)制器的TL定義為

TL=-10lg (Pa/P0)=-10·

(11)

式中:Pa為驅(qū)動(dòng)聲功率;P0為驅(qū)動(dòng)功率;Rs為驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)阻。通過仿真計(jì)算得到各聲學(xué)層設(shè)計(jì)參數(shù)。圖6為各聲學(xué)層相對(duì)厚度。

圖6 各聲學(xué)層材料及相對(duì)厚度對(duì)換能器損耗和相對(duì)帶寬的影響

3 測(cè)試結(jié)果

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，制作了波長(zhǎng)為1 550 nm,頻率為300 MHz 的聲光調(diào)制器，樣品的η及光透過率測(cè)試框圖如圖7所示。實(shí)測(cè)圖如圖8所示。樣品測(cè)試參數(shù)如表2所示。

圖7 衍射效率、光透過率測(cè)試框圖

圖8 衍射效率、光透過率實(shí)測(cè)圖

表2 300 MHz 聲光調(diào)制器測(cè)試參數(shù)

樣 品η/%光透過率/%1#68.793

通過光纖耦合后得到300 MHz光纖聲光調(diào)制器及其技術(shù)指標(biāo)如表3所示。tr的實(shí)測(cè)圖如圖9所示。產(chǎn)品實(shí)物圖如圖10所示。

表3 光纖聲光調(diào)制器技術(shù)指標(biāo)

圖9 光脈沖上升時(shí)間實(shí)測(cè)圖

圖10 產(chǎn)品實(shí)物圖

4 結(jié)束語

本文依據(jù)光纖聲光調(diào)制器設(shè)計(jì)原理，選擇InP聲光晶體材料制作高頻、高速的光纖聲光調(diào)制器，在2 W驅(qū)動(dòng)功率下實(shí)現(xiàn)插入損耗為2.8 dB，消光比為49 dB，tr=6.34 ns。該產(chǎn)品的研制成功進(jìn)一步推動(dòng)了光纖水聽器時(shí)分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展，使更大規(guī)模的光纖水聽器陣列成為可能，同時(shí)，該產(chǎn)品也可應(yīng)用于超快激光的脈沖選單中，為超快激光進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。