Page 21 - 应用声学2019年第2期
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第 38 卷 第 2 期 陈华志等： 超高速光纤耦合声光调制器的设计及其应用 167
0 引言 1 FCAOM的构成及工作原理
光纤耦合声光调制器 (Fiber coupled acousto- FCAOM 的构成及工作原理如图 1 所示。载波
optic modulator, FCAOM)是一种重要的光调制器 功率信号 (驱动器件工作的射频信号，其频率为器
件，它基于体波声光互作用原理，同时具备光脉冲幅 件的工作频率) 经匹配电路加载于压电换能器上，
度调制和光频移的能力，被广泛应用于光纤传感系 激发相同频率的超声波耦合入声光介质；超声波
统、光纤激光器等领域。 对声光介质的光学折射率进行周期性调制，形成
FCAOM 的调制速度通过光脉冲上升时间指 折射率光栅；输入连续光经过光纤透镜 1 导入折射
标来反映，按行业标准 [1] 定义为器件输出光脉冲幅 率光栅中发生衍射，根据声光效应入射光子、衍射
度从最大值的10%增大到90%所需的时间。器件的 光子与声子之间的能量守恒定律，超声波频率被
上升时间越小，调制速度越高。近年来随着超快光 叠加到入射光频上，实现声光移频，移频频率在数
纤激光器、水听阵列系统等 [2−4] 技术的发展，需要 值上等于器件的载波信号频率；衍射光再通过光纤
配套的 FCAOM 上升时间达到 10 ns 以内。本文介 透镜 2 导入输出光纤中向后传输；当载波信号受到
绍了这种超高速 FCAOM 的光脉冲时域响应理论 周期性脉冲调制，介质中的声场形成周期性脉冲序
设计，并通过器件制作及性能实测对理论设计仿真 列依次穿越入射光场，使衍射光强度在时域上随外
结果进行了验证，最后对器件的几种典型应用进行 部调制信号周期性变化，实现对输入连续光的脉冲
了介绍。 调制。
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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
2 FCAOM光脉冲时域响应理论仿真方法
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
下面从 C-lens 透镜参数设计及介质内脉冲声
的聚焦程度影响。高的声传输速度和强的聚焦光
场与高斯光束的声光互作用两方面入手，建立
束有利于实现小的光脉冲上升时间。声传输速度
FCAOM的光脉冲时域响应理论仿真方法。
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 2.1 C-lens透镜参数设计
是选用高声速的声光介质材料及切向，所选的材料 FCAOM 光路采用基横模高斯光束的单模光
和切向还要具备高的声光优值，以便获得高的衍射 纤耦合，光纤端面加装C-lens透镜后，其光束传输规
效率，当前能够同时满足上述要求的介质材料种类 律如图 2 所示，可由光学系统对伴轴光线的 ABCD
和来源较少。本文采用另一种途径，即在光纤端面 变换矩阵公式进行描述：
安装 C-lens 透镜对输入光进行聚焦，通过理论计算
A B 1 0 1 L 1 1 0
FCAOM 的光脉冲时域响应，从器件参数设计的角 = 1 − n 1 . (1)
C D n 0 1 0
度实现小于10 ns的光脉冲上升时间。 R n
