基于磷化铟材料的高速光纤声光调制器

朱 吉，吴 畏，王智林，杨 涛

(中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060)

0 引言

光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。它因具有灵敏度高，响应频带宽，抗电磁干扰，可实现水下湿端无源探测和易于大规模组阵等优点，故而成为水声探测技术发展的重要方向[1]，并广泛应用于潜艇声呐、舰载声呐、岸基声呐等水面/水下目标探测、预警、跟踪系统中。光纤水听器时分复用技术是大规模组阵的核心技术之一。高速光纤声光调制器具有高调制速度，低插入损耗，高通断消光比，同时兼顾光脉冲幅度调制和光频移的技术优势，是光纤水听阵列信号处理系统实现外差探测及时分复用的核心器件。

磷化铟(InP)晶体因具有声光优值(M2)高，声速大，声衰减系数小， 硬度高，热稳定性好及光学性能优良等特点而成为制作高频、高速声光调制器的优良材料之一。

1 光纤声光调制器原理

功率信号作用在换能器上，激发超声波耦合入声光互作用介质，在介质中产生折射率光栅。入射光经过光纤准直器准直后进入声光互作用介质时发生衍射，衍射光再通过输出端光纤准直器耦合进光纤。光纤声光调制器主要由阻抗匹配网络、声光互作用、光纤准直器等组成,其工作原理如图1所示。

图1 光纤声光调制器工作原理

在光脉冲调制应用中，利用外部调制信号改变驱动器载波功率信号的幅度，就可以控制声光互作用介质中声场的强度，从而控制衍射光的光强，实现对输入连续光的幅度调制，如图2所示。

图2 声光调制器的光脉冲调制功能

入射光经光纤准直器后在晶体中的束腰直径为d0, 超声波在晶体内的传输速度为v，根据经典解析设计公式，器件的光脉冲上升时间tr为

(1)

(2)

图3 C(a)与a的关系

由式(1)可得，减小入射光的束腰直径或选择声速较大的声光晶体材料可降低tr。为提高衍射光的消光比，调制器常采用严格可分离条件[2]，即

θ≥2·Δφ

(3)

式中θ为衍射光和0级光之间的夹角，即

(4)

式中:λ0为光波长;f0为工作频率。将Δφ、θ和tr代入式(3)可得

(5)

从式(5)可看出，tr越小，要求声光调制器的工作频率越高。

衍射效率是指1级衍射光的光强占透过声光晶体总光强的百分比。光纤声光调制器工作模式为布喇格衍射，因此，器件的衍射效率为

(6)

式中：Pa为驱动声功率；H为光孔径;L为声光互作用长度。从式(6)可得，在其他条件相同情况下，声光晶体材料的M2越高，光纤声光调制器的η越高，产品的插损越小。

2 光纤声光调制器设计

2.1 声光晶体材料选择

声光晶体材料是声波和入射光相互作用的场所，声光晶体材料性能决定了光纤声光调制器的性能。在设计声光器件时，根据指标要求，综合分析材料的性能，选择最合适的材料来设计产品。

表1为几种常用的声光晶体材料参数。对于高频、高速声光调制器，我们在选择声光晶体材料时主要考察M2、声速、声衰减系数，同时还要考虑材料的透明区、稳定性等。

表1 声光晶体材料的性能参数

通过式(1)、(6)的分析，若要提高光纤声光调制器光脉冲上升时间和衍射效率，则需要选择声速大、声光优值高的声光晶体材料。通过式(5)分析，若要提高光纤声光调制器光脉冲上升时间，则需提高光纤声光调制器的工作频率，从而要求声衰减系数尽量小。通过查找表1发现，材料TeO2、GaP、InP较适合。GaP的M2较高，声速大，声衰减系数较小，光学透过率较差；TeO2的M2较低，声速较小，其声衰减系数较大，光学性能优良；InP的M2高，声速较大，其声衰减系数较小，光学性能优良。因此，InP是最合适的声光晶体材料。

2.2 光纤声光调制器参数设计

图4 声光晶体键合膜系结构

光纤声光高速调制器换能器的键合膜系结构如图4所示。顶电极层位于压电换能器上表面，是换能器的射频输入电极。底电极层位于声光介质与换能器之间,由两层衬底层和一层键合层组成。底电极层既是声学增透层，又充当换能器接地电极，因此，材料的选择除了满足阻抗匹配外，还必须具有良好的导电性。

声光晶体换能器工作在厚度驱动模式，声场从换能器到声光介质的耦合效率由换能器损耗(TL)来表征。它取决于各声学层材料的声阻抗(Zn)、相移(γn)和器件的f0，与各声学层材料声速(vn)、密度(ρn)和厚度(ln)有关。

只有对各声学层材料和ln作适当控制后，超声波才能高效地耦合入声光介质，得到较高的衍射效率。

各声学层声阻抗定义为

Zn=Snρnvn

(7)

式中Sn为超声波波束在各声学层的截面面积。

各声学层相移定义为

(8)

利用玛森等效电路模拟顶电极层和换能器的声学传递矩阵(A0)，利用传输线网络矩阵模拟底电极层声学传递矩阵(A4～A6)，并将声光晶体考虑为负载(Z7)，建立光纤声光调制器换能器键合结构的等效电路网络，如图5所示。图中，Zi为电端输入阻抗，U为电端输入信号电压,I为电端输入信号电流,F为声端作用力。

图5 换能器键合结构等效电路网络

An定义为各等效电路部分传递矩阵：

(9)

式中C1～C4为传递矩阵修正系数，光纤声光调制器的换能器等效电路网络总传递矩阵A为

(10)

光纤声光调制器的TL定义为

TL=-10lg (Pa/P0)=-10·

(11)

式中:Pa为驱动声功率;P0为驱动功率;Rs为驱动电源内阻。通过仿真计算得到各声学层设计参数。图6为各声学层相对厚度。

图6 各声学层材料及相对厚度对换能器损耗和相对带宽的影响

3 测试结果

通过优化设计参数，制作了波长为1 550 nm,频率为300 MHz 的声光调制器，样品的η及光透过率测试框图如图7所示。实测图如图8所示。样品测试参数如表2所示。

图7 衍射效率、光透过率测试框图

图8 衍射效率、光透过率实测图

表2 300 MHz 声光调制器测试参数

样 品η/%光透过率/%1#68.793

通过光纤耦合后得到300 MHz光纤声光调制器及其技术指标如表3所示。tr的实测图如图9所示。产品实物图如图10所示。

表3 光纤声光调制器技术指标

图9 光脉冲上升时间实测图

图10 产品实物图

4 结束语

本文依据光纤声光调制器设计原理，选择InP声光晶体材料制作高频、高速的光纤声光调制器，在2 W驱动功率下实现插入损耗为2.8 dB，消光比为49 dB，tr=6.34 ns。该产品的研制成功进一步推动了光纤水听器时分复用技术的发展，使更大规模的光纤水听器阵列成为可能，同时，该产品也可应用于超快激光的脉冲选单中，为超快激光进一步发展和应用奠定了基础。