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1、,光电子技术Photoelectronic Technique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
2、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，s大。,声光介质材料选择要求,介质的品质因数,在s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,28,(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fs 与布拉格角B
3、可变量之间的关系为,一、器件结构与功能,27,依据什么公式得到的？,光波和声波的中心波长,(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fs大，才能允许fs变化范围大,一、器件结构与功能,26,(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
4、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,(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)
5、电声换能器(又称超声发生器),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
6、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,20,3)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
7、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。,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,拉曼纳斯衍射,二、工作原理,16,布拉格衍射,s与附加相位延迟因子2nL有关,声致折射率差n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
8、,fs10MHz，低频，带宽较小,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,（拉曼-纳斯衍射区）,15,（2）布喇格型,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V/4=V/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B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。,（2）布喇格型,二、工作原理,13,（1）调制带宽,调制带宽是
9、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（f）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：,12,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。,（1）调制带宽,三、性能指标,11,如果考虑两束最边界的衍
10、射光发生重叠,入射角覆盖范围应为,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。,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,10,因此要求,（2）衍射效率,要得到衍射效率s=100，所需要的声强度为,所需的声功率,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）。,f0：声波中心频率,表征声光材料的
11、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,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。,提高衍射光的消光比希望衍射光尽量与0级
12、光分开要求衍射光中心和0级光中心之间的夹角大于2，即大于8/d0。由于衍射光和0级光之间的夹角（即偏转角）等于,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:,D0：高斯光束腰部直径：声束穿越光束的度越时间,（3）声束和光束的匹配,三、性能指标,5,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,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B
13、，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,：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2B 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,1,2、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,
