超高速光纤耦合声光调制器的设计及其应用

陈华志 周建国 吴中超 吴 畏 刘保见 王智林 高维松 曹家强

(中国电子科技集团公司第二十六研究所 重庆 400060)

0 引言

光纤耦合声光调制器(Fiber coupled acoustooptic modulator, FCAOM)是一种重要的光调制器件，它基于体波声光互作用原理，同时具备光脉冲幅度调制和光频移的能力，被广泛应用于光纤传感系统、光纤激光器等领域。

FCAOM 的调制速度通过光脉冲上升时间指标来反映，按行业标准[1]定义为器件输出光脉冲幅度从最大值的10%增大到90%所需的时间。器件的上升时间越小，调制速度越高。近年来随着超快光纤激光器、水听阵列系统等[2−4]技术的发展，需要配套的FCAOM 上升时间达到10 ns 以内。本文介绍了这种超高速FCAOM 的光脉冲时域响应理论设计，并通过器件制作及性能实测对理论设计仿真结果进行了验证，最后对器件的几种典型应用进行了介绍。

1 FCAOM的构成及工作原理

FCAOM 的构成及工作原理如图1所示。载波功率信号(驱动器件工作的射频信号，其频率为器件的工作频率)经匹配电路加载于压电换能器上，激发相同频率的超声波耦合入声光介质；超声波对声光介质的光学折射率进行周期性调制，形成折射率光栅；输入连续光经过光纤透镜1 导入折射率光栅中发生衍射，根据声光效应入射光子、衍射光子与声子之间的能量守恒定律，超声波频率被叠加到入射光频上，实现声光移频，移频频率在数值上等于器件的载波信号频率；衍射光再通过光纤透镜2 导入输出光纤中向后传输；当载波信号受到周期性脉冲调制，介质中的声场形成周期性脉冲序列依次穿越入射光场，使衍射光强度在时域上随外部调制信号周期性变化，实现对输入连续光的脉冲调制。

图1 FCAOM 的构成及工作原理Fig.1 The composition and working principle of the FACOM

FCAOM 输出光脉冲的上升时间取决于声光介质内声场脉冲波前穿越光场区域的渡越时间，受声场在介质材料中的传播速度及介质内光场区域的聚焦程度影响。高的声传输速度和强的聚焦光束有利于实现小的光脉冲上升时间。声传输速度是声光介质材料的固有物理参数，由材料的种类和切向决定。为获得小的光脉冲上升时间，一种途径是选用高声速的声光介质材料及切向，所选的材料和切向还要具备高的声光优值，以便获得高的衍射效率，当前能够同时满足上述要求的介质材料种类和来源较少。本文采用另一种途径，即在光纤端面安装C-lens 透镜对输入光进行聚焦，通过理论计算FCAOM 的光脉冲时域响应，从器件参数设计的角度实现小于10 ns的光脉冲上升时间。

2 FCAOM光脉冲时域响应理论仿真方法

下面从C-lens 透镜参数设计及介质内脉冲声场与高斯光束的声光互作用两方面入手，建立FCAOM的光脉冲时域响应理论仿真方法。

2.1 C-lens透镜参数设计

FCAOM 光路采用基横模高斯光束的单模光纤耦合，光纤端面加装C-lens透镜后，其光束传输规律如图2所示，可由光学系统对伴轴光线的ABCD变换矩阵公式进行描述：

图2 光纤端面加装C-lens 透镜后的光束传输规律Fig.2 Optical beam transmission after installing C-lens on fiber end face

图2中各参数间的关系见式(2)，n为透镜折射率，λ为光波长：

图2和式(2)表明，通过选用适当的C-lens透镜规格，并精确控制光纤与透镜之间的间隙，即能实现光束的灵活聚焦。

2.2 脉冲声场与高斯光束的声光互作用

在等幅单频声场作用下，单色平面光波入射到声光介质折射率扰动区域，形成的一系列衍射光可通过耦合波方程来描述[5]。FCAOM 的工作状态为脉冲调制状态，声场信号受到周期调制而非等幅信号，为简化理论计算复杂度，设外部调制信号频率为声场频率的N阶次谐波，此时声光介质内的折射率扰动形式为

式(3)中K为声场的波数，Ω为声场圆频率，u′为声光介质中的声致折射率，u0为介质材料自身折射率，M为调制深度，此时将文献[5]中的耦合波方程改写为

式(4)中Em(x)为第m级衍射光振幅，L为声光互作用深度。v、Q、α的物理意义及数学表达式在文献[5]中已列出。通过式(4)实际描述了在外部调制信号作用下，输入光为单色平面波时的各衍射级次光振幅分布情况，当j=N时，vj=v；当j=N −1和N+1时，vj=Mv/2；当j为其他取值时，vj=0。

FCAOM 的输入光经C-lens 透镜聚焦后，在声光介质中形成的光场分布为高斯光束而非单色平面波，因此在计算光脉冲时域响应时，需要利用傅里叶变换将高斯光束分解为一系列单色平面波分量，由式(4)对每一分量产生的衍射光振幅进行独立求解，再通过逆傅里叶变换得到1 级衍射光振幅，最后通过时域积分得到器件的光脉冲响应。

3 器件设计

分别对1064 nm、1550 nm 两个中心波长的FCAOM 进行设计。在材料选择上，声光介质选用性能优异、在声光器件中较为常用的TeO2晶体，声场模式选择纵波模式，晶体通声方向沿纵波声速较高的[001]轴方向，声速为4200 m/s；晶体通光方向沿[110]轴方向，平均光学折射率2.26；光纤类型根据FCAOM的系统应用需求，分别选用PM980光纤和SMF 28e 光纤；透镜选用常见的C-lens 透镜，光学折射率为1.81，1064 nm 波长的透镜曲率半径为1.2，长度为2.55 mm；1550 nm波长的透镜曲率半径为1.42，长度为2.98 mm。

在确定了以上基本材料参数后，接下来确定光纤-透镜间隙参数和器件的设计工作频率。图3计算了在不同光纤-透镜间隙参数下，声光介质内光束聚焦形成的光发散角以及FCAOM 理论可获得的光脉冲上升时间。

图3表明，随着光纤-透镜间隙的增大，对应的光脉冲上升时间理论值逐渐减小，当间隙参数分别增大到250 µm 和365 µm 以上时，两个波长FCAOM 的光脉冲上升时间理论值都能达到10 ns以下。但与此同时，介质内的光发散角也随着间隙的增大而近似线性增加。对声光器件而言，过大的光束发散角将导致0 级光(非衍射光)和1 级衍射光出现空间重叠，使部分0 级光泄露进输出光纤，引起通断消光比性能参数下降，为改善这一情况需提高器件的工作频率，使0 级光和1 级光在空间上严格分离[6]。图4计算了两个波长FCAOM在不同工作频率和光纤-透镜间隙参数下的通断消光比。

尽管从图4中可以看出，在相同间隙参数下，提高工作频率能够有效提高通断消光比，但由于介质中声能量的衰减与频率的二次方呈正比[5]，高的设计工作频率将引起大的声衰减，声光互作用过程难以获得高的衍射效率，器件插入损耗大，因此在满足通断消光比指标的前提下，工作频率的选择应尽可能低。

图3 声光介质内光发散角、光脉冲上升时间理论值与光纤-透镜间隙参数的关系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

图4 在不同工作频率、光纤-透镜间隙参数下的通断消光比理论值Fig.4 The theoretical extinction ratio under different working frequencies and fiber-lens gap parameters

图5 FCAOM 的光脉冲时域响应理论仿真结果Fig.5 Optical pulse temporal response theoretical simulation results of the FCAOM

为使FCAOM 同时兼顾小于10 ns 的光脉冲上升时间和大于55 dB 的通断消光比，FCAOM 的设计工作频率确定为200 MHz，结合图3和图4，1064 nm 波长器件的光纤-透镜间隙参数需控制在250 µm∼278 µm之间；1550 nm 波长器件需控制在365 µm∼395 µm 之间；经平衡各项指标，最终分别确定为261 µm 和388 µm。图5为FCAOM 的光脉冲响应仿真结果，1064 nm 器件的光脉冲上升时间理论值为9.4 ns，通断消光比理论值为62.7 dB；1550 nm器件的光脉冲上升时间理论值为9.1 ns，通断消光比理论值为57.1 dB。

4 器件制作及性能实测结果

为验证理论设计结果，分别制作了1064 nm、1550 nm 两个中心波长的FCAOM 器件，器件的压电换能器采用LN 晶片，利用真空压焊技术键合于TeO2晶体上，利用专用工装对C-lens透镜与晶体间的空间位置进行耦合调试，并固化于器件管壳内，其中1064 nm 器件由于采用了保偏光纤输入输出，器件的光路耦合过程还包含了偏振耦合[6]。器件实物见图6，实测光脉冲响应见图7、图8，器件全性能参数实测结果见表1。1064 nm 样品实测上升时间为9.74 ns(平均值)，通断消光比为61.26 dB；1550 nm器件实测上升时间为9.22 ns(平均值)，通断消光比为56.81 dB；实测光脉冲上升时间与图5的理论仿真结果偏差分别为0.34 ns和0.12 ns。

表1 器件实测性能参数Table1 The measured performance parameters of the devices

图6 器件照片Fig.6 Photos of the devices

图7 1064 nm 器件的实测光脉冲时域响应Fig.7 Measured optical pulse temporal response of the 1064 nm device

图8 1550 nm 器件的实测光脉冲时域响应Fig.8 Measured optical pulse temporal response of the 1550 nm device

5 典型应用

5.1 超快光纤激光器选单应用

1064 nm 器件应用于超快光纤激光器中，实现对激光器种子源的高重频光脉冲选单。它通过在时域上形成特定重复频率(该重频低于种子源光脉冲重频)、单一脉冲宽度仅为数十纳秒的时域通光窗口，让所需的特定种子源脉冲通过，阻隔掉多余脉冲，从而降低种子源光脉冲的重复频率[3]，如图9所示。以50 MHz种子源光脉冲重频为例进行说明，种子源相邻脉冲间的时域间隔为20 ns，为实现脉冲选单，需要FCAOM输出光脉冲幅度从0% 到100%的上升时间不超过20 ns，而这一数值为器件光脉冲上升时间指标的1.8 倍，即FCAOM 的光脉冲上升时间指标应不超过11.1 ns。国内某光纤激光器整机单位利用图7的1064 nm 器件在超快光纤激光器原型机上进行了试验，通过脉冲选单，实现了种子源光脉冲重频从46.6 MHz到490.7 kHz的降频。

图9 FCAOM 对50 MHz 高重频的光脉冲选单Fig.9 FCAOM for 50 MHz high repetition frequency optical pulses picking

5.2 光纤水听阵列时分复用系统应用

1550 nm 器件应用于光纤水听阵列时分复用系统，通过对阵列的连续激光器进行脉冲调制，以实现各阵元信号之间在时域上不重叠的目的，如图10 所示[4]。为提高系统携带阵列的能力，需要FCAOM 具有小的光脉冲上升时间。以系统重复频率为512 kHz 的水声探测阵列系统为例说明，单根光纤引导8 个水听探测阵元，光脉冲占空比取50%，为实现各阵元间返回光脉冲在时域上相互分离，则单个光脉冲的底部时域宽度需要控制在120 ns 以内，除去系统数据采样所需的脉冲平顶宽度，FCAOM时域响应幅度从0%到100% 的上升时间应控制在40∼50 ns 之间，对应的器件光脉冲上升时间指标则应控制在22.2∼27.7 ns 之间。当器件光脉冲上升时间指标提升到10 ns，则引导单个阵元所需光脉冲宽度降低一半，单根光纤在相同的系统条件下可引导16 个阵元，成阵规模扩大一倍，再通过与波分复用、空分复用技术相结合，成阵规模理论可扩展到数十到上百倍。

图10 FCAOM 在光纤水听阵列时分复用中的应用Fig.10 Application of FCAOM in time division multiplexing of fiber-optic hydrophone arrays

针对水听应用还需特别注意的是，FCAOM 的输出光脉冲顶部应尽可能做到平坦，以防止器件对水听系统解调频谱引入噪声，这可以通过器件与载波信号源之间良好的阻抗匹配来实现。图11为阻抗匹配不良导致的器件光脉冲时域响应失真，脉冲顶部的波纹会引起系统采样幅度波动，经水听系统解调后在解调频谱中形成噪声谱线，引发“虚警”，如图12(a) 所示。图12(b)为对图6经良好阻抗匹配的器件输出光脉冲解调后的频谱，在0 Hz∼10 kHz 系统探测频率范围内得到了干净的解调谱线。

图11 器件阻抗匹配不良导致的光脉冲响应失真Fig.11 Optical pulse response distortion due to poor device impedance matching

图12 器件光脉冲响应失真对水听系统解调频谱的影响Fig.12 Influence of device optical pulse response distortion on demodulation spectrum of hydrophone system

5.3 潜在宽带移频应用

图13 为1064 nm 和1550 nm 波 长FCAOM 分别在加载功率为1.8 W 和2.2 W、 频率范围170 MHz∼240 MHz、以5 MHz 为步进的等幅载波信号下的插入损耗实测结果。定义器件插入损耗从中心工作频率处增大3 dB 的频率范围为器件的3 dB 工作带宽，从结果中可以看出，两个波长器件的3 dB 工作带宽均超过了50 MHz，即器件具备50 MHz 宽带移频的应用潜力，在连续扫频、跳频激光信号的产生方面[7]具备潜在应用前景。

图13 1064 nm、1550 nm 器件的3 dB 工作带宽Fig.13 3 dB operating bandwidth of the 1064 nm and 1550 nm devices

6 结论

本文介绍了FCAOM 光脉冲时域响应的理论仿真方法，并对中心波长分别为1064 nm 和1550 nm、上升时间小于10 ns 的FCAOM 进行了理论仿真设计。通过器件制作和性能参数测试，实测结果与理论仿真结果得到较好吻合。文中FCAOM所使用的声光介质材料为声光器件中应用广泛的TeO2晶体，随着今后更高声速的高性能声光介质材料发掘和使用，FCAOM 的光脉冲上升时间还能得到进一步降低。文末对FCAOM在超快激光器种子源光脉冲选单和光纤水听阵列时分复用中的应用进行了介绍，并通过测试两个波长器件的3 dB 工作带宽，发现它们还具备50 MHz 宽带移频的应用潜力，可通过后续的应用研究进一步发掘。