第八讲--声光调制

《光电子技术》PhotoelectronicTechnique第八讲声光调制周自刚本讲主要内容一、器件结构与功能二、工作原理三、性能指标四、波导调制器声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。调制信号是以电信号(调幅)形式作用于电-声换能器上，将相应的电信号→超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。声光体调制器：声光介质、电—声换能器、耦合介质、吸声(或反射)装置及驱动电源等组成。一、器件结构与功能30声光调制器结构吸声装置声光介质是声光互作用的场所。当一束光通过变化的超声场时，由于光和超声场的互作用，其出射光就具有随时间而变化的各级衍射光，利用超声波强度的变化→衍射光强的变化，可以制成光强度调制器。(1)声光介质一、器件结构与功能29(1)声光介质（1）应使调制器的衍射效率高，而需要的声功率小。衍射效率——规定输出的光强与输入光强之比，也叫调制效率。如对于1级输出光强，在同样的输入功率下，输出光强大，ηs大。声光介质材料选择要求——介质的品质因数在ηs一定时因此，应选择大的声光材料，提高衍射（调制）效率，降低声功率。一、器件结构与功能283262svPnMsisPMHLII2212sin2MsP(1)声光介质声光介质材料选择要求（2）调制器有大的调制带宽布拉格条件当光波和声波有发散角时，只允许在一有限的声频范围才产生布拉格衍射，频率带宽Δfs与布拉格角θB可变量之间的关系为一、器件结构与功能27sssBfnv22sinBBssnvfcos2kdBsBsin2sin2依据什么公式得到的？1ksssvfn——光波和声波的中心波长s,(1)声光介质声光介质材料选择要求（2）调制器有大的调制带宽调制带宽——取1级衍射光强下降到中心频率时衍射光强的一半所对应的频率变化，由超声波的频率变化引起。经验公式fs—调制频率,L—介质长度,vs—声速。引入一参数选择M1大的材料使Δfs大，才能允许fs变化范围大一、器件结构与功能26sssLfnvf28.12snvsf22271)/(MnvvPnMss(1)声光介质声光介质材料选择要求（3）承受高的光功率密度目前的几种介质，M1和M2大的材料，易于损坏。（4）声的吸收系数要小，与换能器阻抗匹配，光学均匀性好。目前采用熔凝石英多，M2虽不高，但其他指标都满足此要求。而其他：重火石玻璃——M2↑，透光好，便宜；钼酸铅——M2↑，但损耗大，调制效率低。一、器件结构与功能25(1)声光介质声光介质材料选择要求（5）材料尺寸的确定L的确定，根据布拉格和拉曼纳斯衍射的判据布拉格衍射：拉曼纳斯衍射：声光介质考虑：调制效率、调制带宽、光学性能、尺寸。一、器件结构与功能24isL24~3isL2(2)电—声换能器(又称超声发生器)利用某些压电晶体（石英、LiNbO3等）或压电半导体(CdS、ZnO等）的反压电效应，在外加电场作用下产生机械振动而形成超声波，将调制的电功率转换成声功率。换能器有两作用系统：外加调制电源和进行机械振动。一、器件结构与功能23(2)电—声换能器(又称超声发生器)Δ反压电效应：在晶体表面沿着电场方向施加电压，在电场作用下引起晶体几何形状应变，电压方向改变，应变方向亦随之改变，形变与电场电压成比例，这种因电场作用而诱发的形变效应，也称为逆压电效应。一、器件结构与功能22(2)电—声换能器(又称超声发生器)1)换能器晶片产生振动由于反压电效应，产生振动变形。但由于晶体的对称性，大部分压电应变系数为0。例如石英晶体（只有两个独立压电应变系数d11和d14）一、器件结构与功能21如果在x方向加电场，会在x方向上振动。当电场的频率等于晶片的固有频率时，振动达到最大值——转换效率最高。忽略横向振动，在y-z向存在应变，但晶体的厚度d是微米量级，y变形小。(2)电—声换能器(又称超声发生器)2)换能器的电性能（驱动源和换能器联接）虽然是机械振动，但它是由电驱动，一般用一个电感、电容、电阻组成的等效电路表示。一、器件结构与功能203)机电耦合系数k换能器把电能转变为机械振动能（或者说转变成超声波多少的参数）—材料选择的参数。加在换能器上的电能只有一部分转变为振动能，其他消耗在晶体中。不同的晶体k不同，选k大的晶体，电声转换效率高（例如石英k=0.1）。一、器件结构与功能19(3)耦合介质在换能器和声光介质之间夹一层耦合介质，一般铟或铟锡合金。作用：（1）使声光介质和换能器的阻抗接近—过渡介质，减少声反射损耗；（2）把换能器粘在介质上，因为换能器d小，几十微米；（3）作为换能器的电极。声光调制器结构吸声装置一、器件结构与功能18(4)吸声(或反射)装置(放置在超声源的对面)在行波结构中加吸收器吸收传播来的声波，使之不反射。在驻波结构中加反射器反射传播来的声波，以便形成驻波。(5)驱动电源产生调制电信号施加于电—声换能器的两端电极上，驱动声光调制器(换能器)工作。一、器件结构与功能17声光调制器结构吸声装置拉曼—纳斯衍射二、工作原理16sisPMHLII2212sin布拉格衍射ηs与附加相位延迟因子ν＝2πΔnL／λ有关声致折射率差Δn正比于弹性应变幅值S而S∝声功率Ps声波场受到信号的调制使声波振幅随之变化则衍射光强也将随之做相应的变化（1）拉曼-纳斯型fs10MHz，低频，带宽较小入射光衍射光调制信号拉曼-纳斯型声光调制器当工作频率较高时，最大允许长度太小，要求的声功率很高，因此只限于低频和有限的带宽内工作。由于衍射效率低，光能利用率低，根据判据二、工作原理isiisLkLkGcos/2cos/22G（拉曼-纳斯衍射区）15衍射光调制信号入射光声光调制器布喇格型（2）布喇格型tPsId(fm)fm(Is)0PS1/2声光调制特性曲线为了使调制不发生畸变，则需加超声偏置（类似于电光调制中的偏压Vλ/4=Vπ/2），使其工作在线性较好的区域。二、工作原理14在声功率Ps(或声强Is)较小的情况下，衍射效率s随声强度Is单调地增加(呈线性关系)必须使入射光束以布拉格角θB入射，同时在相对于声波阵面对称方向接收衍射光束时，才能得到满意的结果。sBsIML22222cos2（2）布喇格型二、工作原理13（1）调制带宽调制带宽是衡量能否无畸变地传输信息的一个重要指标，取1级衍射光强下降到中心频率时衍射光强的一半所对应的频率变化，用（Δf）m表示。对于给定入射角和波长的光波，只有一个确定的频率和波矢的声波才能满足布拉格条件。当采用有限的发散光束和声波场时，波束的有限角将会扩展，因此，在一个有限的声频范围内才能产生布拉格衍射。三、性能指标允许的声频带宽与布拉格角的可能变化量之间的关系为：BBssnvfcos212设入射光束的发散角为i，声波束的发散角为，对于衍射受限制的波束，这些波束发散角与波长和束宽的关系分别近似为w0：入射光束束腰半径；n：为介质的折射率；D：声束宽度。iB（1）调制带宽三、性能指标0nwi11,20nwiDs如果考虑两束最边界的衍射光发生重叠02nwB入射角覆盖范围应为Bssmwvffcos221)(0带宽与声波穿过光束的渡越时间（w0/vs)成反比，即与光束的直径(w0)成反比。用宽度小的光束可以得到较大的带宽。但光束发散角不能太大，否则，0级和1级衍射会有部分重叠，降低调制的效果。21)(ssmffffmf)(即最大的调制带宽近似等于声频率fs的一半。因此，大的调制带宽要采用高频布喇格衍射才能得到。（1）调制带宽三、性能指标10Bi因此要求（2）衍射效率要得到衍射效率ηs=100％，所需要的声强度为22222cosLMIBs所需的声功率LHMHLIPBss2222cos三、性能指标9声光材料品质因数M2越大，获100%的衍射效率所需声功率越小。则电声换能器的截面应做得长（L大）而窄（H小）。HPnvMHPMffsBssBscos2cos223222321022271)(MnvvPnMssf0：声波中心频率表征声光材料的调制带宽特性的品质因数M1值越大，声光材料制成的调制器所允许的调制带宽越大。（2）衍射效率三、性能指标8虽然增大作用长度L会提高衍射效率，但是，也会导致调制带宽的减小假如声波的发散角Ls2会得到提高布拉格声光调制器衍射效率的途径：1、选择声光性能指数（材料常数或优值）的声光介质；2、声光介质的长度（L)足够长、宽度(H)窄和适当增加声功率Ps。注意：功率过高会导致器件过热，从而影响器件的工作性能和可靠性。（2）衍射效率三、性能指标7（3）声束与光束的匹配为了充分利用声能和光能，认为声光调制器比较合理的情况是工作于声束和光束的发散角比。)()(声束发散角光束发散角i1ssvf/提高衍射光的消光比→希望衍射光尽量与0级光分开→要求衍射光中心和0级光中心之间的夹角大于2Δφ，即大于8λ/πd0。由于衍射光和0级光之间的夹角（即偏转角）等于5.1//40Lds三、性能指标6不是超声能量边缘浪费，就是不满足布拉格条件而不被衍射。调制器性能最佳。可分离条件为:55.2880dvfssD0：高斯光束腰部直径τ：声束穿越光束的度越时间sssfvvd55.20（3）声束和光束的匹配三、性能指标5sssvf/5.12202LLLs最佳发散角比的条件实际应用中就可以选择合适的聚焦透镜焦距四、波导调制器4idks入射光衍射光L声表面波电声换能器波导层y切割LiNbO3衬底声光布拉格型波导调制器布拉格型波导调制器由平面波导和交叉电极换能器组成。波导衬底材料采用压电材料（如LN等）目的：激起表面弹性波。采用Ti扩散形成波导。用光刻方法在表面形成交叉电声换能器。波导光与电极板条间的夹角满足布拉格角θB，换能器产生的超声波引起波导和衬底折射率周期变化。四、波导调制器其光强为BVIIIiisin2Δsin21：在电场作用下导波光通过长度为L距离的相位延迟；B：比例系数，取决于波导的有效折射率neff等因素。因此，衍射光强I1随电压V的变化而变化，达到对波导光的调制目的。3因此，相对于声波波前以B入射的波导光波穿过输出棱镜时，得到与入射光束成2B的1级衍射光。在激光谐振腔系统中有声光锁模、声光Q开关和腔倒空技术；在信号处理系统中有雷达、电子对抗和光通信的声光信号处理技术；在光学高精度传感系统中有光学陀螺、水听器和干涉系统技术；在激光技术系统中有文字、图像和其它信息处理技术。声光器件的应用知识补充2本讲小结1、声光调制器的结构及其功能、波导声光调制的原理等12、声光调制的工作原理：拉曼纳斯、布拉格衍射3、调制带宽、衍射效率、声光束匹配等参量的要求、关系和特征启示：电调制信号→产生声功率→弹性应变→晶体折射变化→衍射→光强调制