一種一體化光纖聲光調制器

申向偉，王智林，吳 畏，吳中超，王大貴，朱 吉，陳永峰，何曉亮

(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(FAOM)[1-8]通過聲光互作用實現對光調制及移頻等作用，被廣泛應用于光纖激光器、光纖傳感及冷原子等領域。傳統FAOM由分離的驅動器和器件組成[9]，整體尺寸和功耗較高，且不能滿足光纖激光器、激光測風雷達及光纖分布式傳感等系統小型化、集成化對FAOM小體積、低功耗的需求。本文將傳統FAOM器件典型尺寸67 mm×23 mm×10 mm，驅動器尺寸110 mm×80 mm×28 mm，電功耗15 W，通過集成化、低功耗及合理的熱設計技術，實現了器件和驅動器一體化，整體尺寸和功耗典型值分別為59.56 mm×49.48 mm×14.6 mm和0.72 W(脈沖)，在小型化光纖激光器系統、光纖傳感系統及相干激光測風雷達系統中具有很好的應用前景。

1 原理

FAOM主要由驅動器和器件兩部分組成。驅動器主要由振蕩電路、調制電路、小信號放大電路及功率放大電路等組成，器件主要由阻抗匹配網絡、聲光晶體及光纖耦合系統等組成。圖1為光纖聲光調制器工作原理。

圖1 光纖聲光調制器工作原理

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互作用介質，在介質中產生折射率光柵，入射光經光纖準直器準直后進入聲光互作用介質時發生衍射，衍射光的頻率為輸入光頻率和超聲波頻率的疊加，實現了聲光移頻，衍射光再通過輸出端光纖準直器耦合進光纖。利用外部調制信號改變驅動器載波功率信號的幅度，就可以控制聲光互作用介質中聲場的強度，從而控制衍射光的光強，實現光幅度調制。

2 設計

本文從器件和驅動電路一體化、低功耗和散熱三方面進行設計，最終得到性能可靠的一體化低功耗產品。一體化FAOM的器件和驅動電路處于一個金屬外殼中，而傳統FAOM的器件和驅動電路分別處于不同的金屬外殼中，一體化FAOM的產品組成如圖2所示。

圖2 一體化FAOM組成

2.1 一體化設計

一體化(小型化)設計包含器件和驅動電路兩方面。器件一體化、小型化主要從三方面設計：減小光纖準直器工作距離，在滿足通斷消光比要求的前提下，盡量減小光纖準直器的工作距離。減小晶體厚度，在滿足聲光互作用寬度的情況下，盡量減小晶體厚度，降低空間占用。阻抗匹配電路和驅動電路集成，器件阻抗匹配電路集成到驅動電路中，同時全部采用小體積封裝元件進行匹配。

驅動電路一體化設計方面，傳統驅動電路原理框圖如圖3所示，其電路調試簡單，開關比高，但體積和功耗(6 W)較大。

圖3 傳統驅動電路原理框圖

為得到小體積和低功耗的FAOM，驅動電路在滿足指標情況下進行方案優化，設計了振蕩電路和一級功率放大的方案，由振蕩電路、整形電路、功率放大電路及電源模塊等組成。使用高效功率放大器進行基極開關調制，從而實現脈沖調制功能，功率放大器同時具有放大和調制功能，功率放大器選用高速和輸入耦合電容小的LDMOS管，能滿足光脈沖的上升下降時間以及開關比要求；振蕩電路為100 MHz方波信號，輸出15 dBm，功率放大器增益為20 dB@100MHz，最大輸出可達35 dBm(3.16 W)，器件實際需要功率為2.3 W，所以采用一級功率放大可滿足指標要求，一體化驅動電路從電路結構上減小了開關調制電路、小信號放大電路及電源模塊2，原理框圖如圖4所示，從而減肥小了一體化驅動電路的體積和功耗。

圖4 一體化驅動電路原理框圖

通過優化印制電路板(PCB)的布局布線，并對驅動電路的信號完整性及性能可靠性等方面進行軟件仿真，通過仿真指導布局布線，最終實現驅動電路一體化設計。

2.2 低功耗設計

低功耗設計包含器件和驅動電路兩方面。器件低功耗從提高晶體衍射效率和減小換能器損耗出發。提高晶體衍射效率設計見文獻[9]，著重介紹了減小換能器損耗設計。FAOM換能器的鍵合膜系結構如圖5所示。

圖5 聲光晶體鍵合膜系結構

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。底電極層既是聲學增透層，又充當換能器接地電極，因此材料的選擇除滿足阻抗匹配外，還必須具有良好的導電性。

聲光晶體換能器工作在厚度驅動模式，聲場從換能器到聲光介質的耦合效率由換能器損耗(TL)來表征，它取決于各聲學層材料的聲阻抗(Zn)、面積(Sn)、相移(γn)和器件的工作頻率(f)，與各聲學層材料聲速(vn)、密度(ρn)和厚度(ln)有關。定義各聲學層聲阻抗為

Zn=Snρnvn

(1)

定義各聲學層相移為

(2)

通過等效電路網絡傳遞矩陣函數建立鍵合膜系仿真模型，利用瑪森等效電路模頂電極層和換能器的聲學傳遞特性(A0)及傳輸線網絡矩陣模底電極層聲學傳遞特性(A4～A6)，并將聲光晶體考慮為負載(Z7)，得到鍵合膜系等效電路模型如圖6所示。

圖6 鍵合膜系等效電路模型

通過An描述各等效電路部分傳遞矩陣：

(3)

式中C1～C4為傳遞矩陣修正系數。光纖聲光高速調制器鍵合膜系等效電路網絡總傳遞矩陣A為

(4)

TL=-10lg(P1/P2)=-10·

(5)

式中：P1為耦合入聲光介質的聲功率；P2為驅動器提供的電功率；Rs為驅動電源的內阻。

通過Matlab編程對工藝參數進行設計，可得到工作頻率100 MHz、換能器損耗最小時各膜層厚度，仿真曲線如圖7所示。

圖7 本文產品的TL-f對應關系

驅動器低功耗設計方面，在滿足聲光器件插入損耗前提下，盡量減小驅動電路的輸出功率，達到降低驅動電路總體功耗的目的：

1) 通過優化振蕩電路，傳統采用電容三點式振蕩電路來實現信號產生，電容三點式振蕩電路包括時發射極耦合電路(ECL)高速電路，其功耗較大，本文采用了溫補晶振產生振蕩信號，體積、功耗較小且輸出功率較大(15 dBm)，減小了后級功率放大的壓力，采用一級功率放大器能滿足聲光器件的功率需求，振蕩電路部分功耗比原來減小了86.7%。

2) 采用新型高效功率放大器為放大模塊，利用Protel和ADS電路設計軟件優化放大器的輸入輸出阻抗匹配網絡，實現高效放大，利用放大器基極調制方式實現脈沖調制功能，使放大器同時具有放大和調制功能，原驅動電路的靜態工作點在脈沖開或關狀態時電壓恒定，導致放大器放大效率較低(僅為30%)，而一體化驅動電路的靜態工作點僅在脈沖開狀態時電壓恒定，脈沖關狀態時靜態工作點電壓為0，同時脈沖關狀態的時間高達90%，從而使放大器效率大于60%，通過采用基極調制方式，提高了放大器輸出效率，放大器部分功耗比原來減小了30%。

3) 減小和器件匹配損耗，在驅動電路和聲光器件的匹配設計中，先測試聲光晶體的S參數，并利用ADS仿真軟件指導驅動電路的輸出阻抗設計，使其直接與聲光晶體的輸入阻抗匹配，以減少驅動電路和聲光器件間的匹配損耗，通過實測數據，匹配電路功耗比原來減小了5%。

4) 提高電源模塊轉換效率。一體化驅動電路采用直流電壓(+12 V)供電，設計產品振蕩電路和整形電路的電壓為+5 V，選用高電源抑制比的DC/DC電源模塊，性能指標接近線性電源模塊，其體積更小，效率高達85%，從而提高了電源模塊部分的轉換效率，通過實測數據，電源部分功耗比原來減小了50%。

2.3 散熱結構設計

在對FAOM產生熱耗進行分析的基礎上，設計的外形結構如圖8所示。對結構圖進行熱仿真分析，通過熱仿真分析結果對散熱薄弱位置進行優化改進，多次仿真、優化后得到最優的外形結構。考慮到驅動電路發熱對晶體工作性能的影響，光路部分和電路部分采用分離式結構，同時電路部分與金屬外殼間采用大面積接觸設計，提高產品的傳導散熱能力。

圖8 一體化聲光調制器內部和外形結構

利用SOLIDWORKS軟件對聲光晶體在環境溫度70 ℃下工作時內部溫場分布進行分析，如圖9所示。

圖9 聲光晶體在70 ℃的內部溫場分布

由圖9可以看出，晶體在70 ℃的環境溫度下工作，聲場吸收面是發熱最嚴重的區域，其次是壓電換能器部分。經過分析，聲光晶體工作達到穩態后，聲場吸收面溫度約為87.2 ℃，換能器的溫度約為84.3 ℃，塊體與外殼接觸面溫度約為78.5 ℃。

對一體化驅動電路進行了熱仿真分析。為簡化模型，略去射頻接插頭、蓋板，對主要的幾個發熱模塊、振蕩電路、電源模塊和功率放大器等進行熱仿真分析，驅動電路熱分析模塊示意圖如圖10所示。驅動電路采用傳導方式進行散熱，主要發熱元件的發熱量數據如表1所示。

圖10 驅動電路熱分析模塊示意圖

表1 驅動電路主要發熱元件功耗

經過SOLIDWORKS熱仿真分析，驅動器在70 ℃穩定環境下的熱分布如圖11所示。功率放大器溫度最高(約77 ℃)；電源模塊溫度約為76 ℃。功率放大器、電源模塊等元器件的溫度范圍均為-40～ 85 ℃，熱仿真分析顯示,其最高溫度均在其正常工作范圍內，能滿足要求。驅動電路的其他部分元器件(如表貼電阻、電容、電感等)選用的溫度范圍為-40～85 ℃。

圖11 驅動電路熱分析模型

3 研制結果

基于以上的設計，本文研制出了一種一體化FAOM，實物如圖12所示。

圖12 一體化FAOM實物圖

采用經過計量的游標卡尺、1 550 nm窄線寬激光器、光電探測器、示波器、光功率計測試了其性能參數。該FAOM整體尺寸為59.56 mm×49.48 mm×14.6 mm，插入損耗為1.53 dB，消光比為54.86 dB，光脈沖上升時間為16.7 ns，光脈沖延時抖動為1.5 ns。我們采用熱成像儀對其常溫(24 ℃)工作進行溫度測試，測試結果如圖13所示。由圖可看出，功率放大器部分溫度最高(約27.3 ℃)，比室溫時溫度增加了3.3 ℃，實測和熱仿真分析結果基本一致。

圖13 等幅工作狀態下熱成像儀圖片(帶散熱片)

4 結束語

本文重點介紹了一體化FAOM的原理、設計方法及研制結果。所研制的一體化FAOM具有體積小，功耗低，消光比高及插入損耗低等優點。采用這種低功耗、小體積的一體化FAOM對降低光纖激光器、激光測風雷達及分布式光纖傳感等系統的尺寸和功耗具有較大的促進作用。