單偏振光纖聲光調制器

吳 畏，唐 詩，王智林，令狐梅傲，朱 吉，傅禮鵬

(中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

光纖聲光調制器作為激光應用中一種基礎元器件，主要作用是對激光進行脈沖調制、移頻，獲得后端系統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的要求，需要高偏振消光比的光纖聲光調制器，普通保偏光纖已無法滿足高偏振消光比光纖聲光調制器的研制需求。單偏振光纖通過專門設計與制造工藝，使光纖中構成基模的兩個線偏振模之一為導模，可低損耗傳輸；另一個模因截止或產生嚴重泄漏而衰減，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制器，同傳統光纖聲光調制器相比，光纖聲光調制器通過單偏振光纖耦合輸入輸出，能夠實現高偏振消光比，在高偏振隔離度要求的激光系統中具有廣泛的應用前景。

1 原理

圖1 光纖聲光調制器原理圖

單偏振光纖聲光調制器主要由器件和驅動器兩部分組成，調制器工作原理如圖1所示。驅動器輸出的載波功率信號作用在換能器上，激發超聲波耦合入聲光晶體，在介質中產生折射率光柵，入射光經過光纖準直器準直后以布喇格角進入聲光晶體時發生衍射，衍射光再經過光纖耦合輸出。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直器耦合進光纖的同時隔離了激光噪聲和偏振噪聲，從而輸出低噪聲的光脈沖。

2 設計

光纖聲光調制器的關鍵性指標包括插入損耗、消光比、光脈沖上升時間tr，彼此相互制約，在進行器件參數設計時，優先考慮tr，再根據tr推導其他指標。

2.1 光脈沖上升時間

tr由超聲波穿過光束的渡越時間τ、晶體內光束發散角Δφ內、聲束發散角Δθ、聲光晶體的聲速v及驅動器上升時間共同決定。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。

光纖聲光調制器利用成對的光纖準直器對入射光和衍射光進行耦合，其

Δφ內=4×λ/(nπd)

(3)

式中：λ為光波長；n為折射率。

圖2為tr/τ與聲光比發散角α的關系[3]。由圖可看出，τ一定時，α越小，則tr越小。同時由式(2)可知，α和f一定時，α取決于L，通過縮小L可減小α，L減小將導致衍射效率η下降，甚至不能滿足進入布喇格衍射區的條件。因此,α的選取需綜合權衡tr和η，一般在產品設計中取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

光脈沖上升時間為

tr=0.65τ(α≤1)

(4)

通過式(1)～(4)可計算出Lf，這時在選取L和f時需考慮:

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

2) 在工作頻率下驅動器上升時間能滿足要求。

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

L0=nv2/(λf2)

(5)

2.2 插入損耗

光纖聲光調制器的插入損耗決定產品所在系統光路的能量利用率，插入損耗越低，能量損失越少，能量利用率就越高。光纖聲光調制器的插入損耗由聲光晶體材料的光學透過率、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。

產品器件設計為布喇格衍射模式，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為動量失配系數;M2為晶體材料聲光優值;H為聲光互作用寬度;Pa為聲光互作用區域的超聲功率。

(7)

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

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

對于單偏振光纖聲光調制器，光纖耦合損耗是其實現低插入損耗的關鍵，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動信號和加載等幅驅動信號狀態下輸出端的光強之比，主要由器件0級泄露光耦合入輸出光纖的光強大小決定。為提高通斷消光比，在設計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倍輸出光束發散角(Δφ外),即

Δφ≥2×Δφ外

(8)

其中，光纖準直器輸入、輸出光在聲光晶體外的發散角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 單偏振光纖準直器最佳耦合

光纖耦合工藝是對產品的輸入、輸出光纖進行耦合，包含光強耦合和偏振耦合兩部分。對于普通的保偏光纖聲光調制器的耦合，已有一套成熟的方法，在初步對軸后進行光纖耦合。利用偏振測試儀和光功率計進行在線監測，根據監測結果修正準直器位置以達到最大偏振消光比和最小插入損耗指標，達到最佳的光強耦合和偏振耦合。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

對于單偏振光纖準直器，只有一個線偏振模能傳播，不同于保偏光纖對軸精度影響偏振消光比指標，單偏振光纖對軸不準會造成光功率的浪費，最終影響插入損耗指標。因此，實際工藝中需重點解決對軸精度的問題。圖4為不同對軸誤差對應的插入損耗變化。

圖4 不同對軸誤差對應的插入損耗變化

為解決對軸精度的問題，我們設計了一套調試方法。首先對輸入、輸出準直器分別在偏振測試儀上進行軸向校準，校準后通過格蘭棱鏡測試輸出光功率，通過軸向旋轉對輸出光功率進行調節，待2個準直器輸出光功率調至最大時，進行成對耦合。經過測試，該方法可實現成對耦合損耗小于0.5 dB。圖5為單偏振準直器調試工藝。

圖5 單偏振準直器調試工藝

4 器件制作與應用

根據上述設計工藝方法，我們設計并制作了工作于1 064 nm波段的高速低插損單偏振光纖聲光調制器。將其應用于單偏振的超快激光脈沖選擇系統，能實現重頻50 MHz以上的超快脈沖激光選擇，并隔離偏振噪聲。圖6為樣品實測效果圖。表1為實測結果。

圖6 樣品實測效果圖

表1 實測結果

5 結束語

本文重點介紹了單偏振光纖聲光調制器的原理、設計方法、研制結果和應用。所研制的單偏振光纖聲光調制器具有插入損耗低，消光比高，偏振消光比高的特點，是目前光纖聲光調制器的重要補充，可廣泛應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]及原子冷卻等領域。