一种高性能的光纤声光调制器级联模块.pdf

第4 5卷第4期压 电 与 声 光V o l.4 5N o.42 0 2 3年8月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S TOO P T I C SA u g.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 3-0 2-2 6 作者简介:李世国(1 9 8 1-),男,重庆市梁平区人,高级工程师,主要从事声光器件设计的研究。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 3)0 4-0 5 8 4-0 5D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 3.0 4.0 2 1一种高性能的光纤声光调制器级联模块李世国,张静雯,吴中超,申向伟,陈永峰,王大贵,令狐梅傲(中国电子科技集团公司 第二十六研究所,重庆4 0 0 0 6 0)摘 要:通过采用外部时钟、双路延时可调等技术,得到了一款工作波长15 5 0n m、移频频率8 0MH z、插入损耗5.4d B、消光比1 0 0d B、脉冲抖动1.8n s的高性能光纤声光调制器级联模块。采用该级联模块搭建了M-Z干涉光路,得到了稳定的干涉波形。结果表明,该级联模块可提升光脉冲消光比,同时能有效地提升干涉波形的稳定性,对微弱信号探测的外差激光相干探测系统性能提升有一定的促进作用。关键词:声光调制;声光移频;光纤传感;声光调制器中图分类号:T N 6 5 文献标志码:A AH i g hP e r f o r m a n c eF i b e rA c o u s t o-O p t i cM o d u l a t o rC a s c a d eM o d u l eL IS h i g u o,Z H A N GJ i n g w e n,WUZ h o n g c h a o,S H E NX i a n g w e i,C H E NY o n g f e n g,WA N GD a g u i,L I N GH u m e i a o(T h e2 6 t hI n s t i t u t eo fC h i n aE l e c t r o n i c sT e c h n o l o g yG r o u pC o r p o r a t i o n,C h o n g q i n g4 0 0 0 6 0,C h i n a)A b s t r a c t:U s i n gt h ee x t e r n a l c l o c k,d u a l-c h a n n e l a d j u s t a b l ed e l a ya n do t h e r t e c h n o l o g i e s,ah i g hp e r f o r m a n c e f i-b e ra c o u s t o-o p t i cc a s c a d e(F AOM)m o d u l ew i t hw a v e l e n g t ho f 15 5 0n m,f r e q u e n c y-s h i f t f r e q u e n c yo f 8 0MH z,i n-s e r t i o nl o s so f 5.4d B,e x t i n c t i o nr a t i oo f g r e a t e r t h a n1 0 0d B,a n dp u l s e j i t t e r o f 1.8n sh a sb e e nd e v e l o p e d.T h eM-Zi n t e r f e r e n c eo p t i c a l p a t hw a sb u i l tu s i n gt h i sc a s c a d em o d u l e,a n ds t a b l e i n t e r f e r e n c ew a v e f o r m w a so b t a i n e d.T h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a t t h e c a s c a d em o d u l e c a ne f f e c t i v e l y i m p r o v e t h e s t a b i l i t yo f t h e i n t e r f e r e n c ew a v e f o r mw h i l e i m p r o v i n gt h ee x t i n c t i o nr a t i oo f t h eo p t i c a l p u l s e,a n dh a sac e r t a i np r o m o t i o no nt h ep e r f o r m a n c e i m p r o v e-m e n to f t h eh e t e r o d y n e l a s e r c o h e r e n td e t e c t i o ns y s t e mf o rw e a ks i g n a l d e t e c t i o n.K e yw o r d s:a c o u s t o-o p t i cm o d u l a t i o n;a c o u s t o-o p t i c f r e q u e n c ys h i f t;f i b e ro p t i c a l s e n s i n g;a c o u s t o-o p t i cm o d u-l a t o r(AOM)0 引言光纤声光调制器(AOM)1-9以高消光比、高温度稳定性及天然的移频特性,成为许多光纤传感系统的核心器件,随着光纤传感系统应用的不断发展,对微弱信号探测能力的需求不断提升,要求进一步降低系统产生的噪声,传统方式上,一般采用单个AOM,通断消光比为5 06 0d B,对噪声的抑制已不能满足需要,本文提出一种双器件级联方案,实现超高的消光比,经系统试验验证,能提升系统探测信号的能力。1 声光调制器的原理声光调制器由器件和驱动电源组成,器件内部由声光晶体、匹配网络构成,主要利用声光互作用的基本原理,驱动电源输出的射频电信号经阻抗匹配网络施加到声光晶体的压电换能器上,压电换能器将该信号转换为超声波在声光晶体内传播,形成折射率光栅,当激光以一定角度通过时即发生布喇格衍射,如图1所示。图1 声光调制的基本原理通过调制电信号的输出功率达到调制光信号幅度的目的,被调制的射频信号包络与调制信号一致,实现对光信号波形的任意调制。声光调制器的移频功能是声光器件发生布喇格衍射效应的根因是光子与声子相互作用产生一个新的光子的过程,光子与声子之间的散射遵循能量守恒定律:hd=hih(1)式中:h=6.6 2 61 0-3 4Js为普朗克常量;d为衍射光的角频率;i为入射光的角频率;为声场的角频率。由式(1)可见,只要发生了衍射,一定会产生移频。因此,声光移频是声光器件的基本特性。2 弱信号探测需求无论是以-OT D R为代表的分布式光纤传感系统还是相干体制的激光测风雷达系统,都是利用返回光与本征光的干涉,以获取信号特征,在相干探测系统中,返回光信号相对主信号衰减极大,通常采用提高光脉冲信号消光比、单脉冲能量和调制速度来提升系统探测能力。3种光调制器件的性能对比如表1所示。表1 3种光调制器的性能对比种类插损/d B消光比/d B上升时间/n s特点电光调制器(E OM)3.52 04 03优点:带增益、体积小缺点:耐功率低AOM5 01 0 0d B。4.1 脉冲延时同步功能图7为搭建的声光级联模块性能测试光路。图中,信 号 源 型 号 是 泰 克A F G 3 2 5 2 C,信 号 源 产 生1 0k H z/4 0 0n s宽度的T T L调制信号,通过射频线与模块的调制输入端连接,信号源的同步输出信号与数字示波器连接,并设置为触发源。首先测试延迟同步功能,在未调整延时的情况下,通过2个串联的AOM后输出的光脉冲宽度小于4 0 0n s,甚至没有输出。调整模块内部的延时后,实现输出光脉冲宽度与调制信号的宽度基本一致,达到延时同步的目的,如图8所示。由图可看出,获得的脉冲宽度为3 9 0n s,说明两路AOM的延时一致。图7 声光级联模块性能测试框图685压 电 与 声 光2 0 2 3年 图8 延时同步功能测试结果4.2 时钟同源功能时钟同源功能的优点主要体现在光脉冲时域稳定性及差频信号相位稳定性上,首先测试光脉冲时域稳定度。修改图7信号源产生两路信号:1)2 0MH z的方波信号,高电平为2V,低电平为0,该信号与模块的时钟输入接头连接。2)1 0k H z的调制信号,高电平为2V,低电平为0。为了 使 测 试 结 果 更 清 晰,设 置 脉 冲 宽 度 为5 0n s,该信号与模块的调制输入接头连接,搭建的光路图如图9所示。图9 光脉冲时域稳定度测试框图S G D 3 2 0/N 2 4 0-1 5 5 0-D 0 1-2 Y 2 0型声光级联模块具有内外时钟自动切换功能,测试时只需控制信号源输出的2 0MH z时钟信号的开关即可获取两种状态的对比结果,如图1 0所示。图1 0 分离时钟及统一时钟时输出的光脉冲 图1 0(a)中Td+Tw是3.6n s,图1 0(b)中Td+Tw是1.8n s。由图1 0可看出,采用时钟同源后示波器记录的光脉冲波形更稳定。差频信号相位稳定性的测试搭建的干涉光路框图如图1 1所示。光源采用R I O的15 5 0n m窄线宽激光器,经偏振耦合器后分成两束,其中一路与声光级联模块连接,两路信号再与偏振耦合器连接,组成M-Z干涉光路,干涉信号通过平衡探测器(B P D)与数字示波器连接,信号源的信号按图9方式加载,其中调制信号的宽度设为2 0 0n s。图1 1 差频信号相位稳定性测试框图785 第4期李世国等:一种高性能的光纤声光调制器级联模块图1 2为示波器上两种时钟状态的信号干涉结果。示波器设置为余辉模式,时间为0.5s。图1 2 分离时钟及统一时钟的干涉图 由图1 2(a)可看出,分离时钟输出干涉图的初相位不稳定,处于随机变化状态。由图1 2(b)可看出,采用统一时钟后,两路信号的干涉图相对稳定,说明两路信号的相位基本稳定,即使干涉相位发生变化,也是连续状态。5 结束语本文提出了一种双AOM级联的方案,该方案除能实现超高的消光比外,还可实现低频移下的高速调制,解决了高速调制需高频工作而信号处理难的矛盾。通过对两路AOM设计独立延时控制及时钟同源功能,充分发挥了级联模块的性能。通过测试验证达到了预期目的,对光纤传感系统性能的提升有一定的促进作用。参考文献:1 徐介平.声光器件原理、设计和应用M.北京:科学出版社,1 9 8 2.2 俞宽新,丁晓红,庞兆广.声光原理与声光器件M.北京:科学出版社,2 0 1 1.3 吴中超,何晓亮,周建国,等.光纤声光开关的研究及应用J.红外与激光工程,2 0 1 0,3 9(增1):1 2 4-1 2 8.4 王世前,郭阳宽,祝连庆,等.光纤声光调制器的高频驱动器J.压电与声光,2 0 1 4,3 6(6);8 9 5-8 9 8.WANGS h i q i a n,GUOY a n g k u a n,Z HUL i a n q i n g,e ta l.H i g hf r e q u e n c yd r i v e ro fo p t i c a lf i b e ra c o u s t oo p t i cm o d u l a t o rJ.P i e z o e l e c t r i c s&A c o u s t o o p t i c s,2 0 1 4,3 6(6):8 9 5-8 9 8.5 朱吉,吴畏,王智林,等.基于磷化铟材料的高速光纤声光调制器J.压电与声光,2 0 2 0,4 2(1):2 1-2 4.Z HUJ i,WU W e i,WAN GZ h i l i n,e ta l.T h eh i g hs p e e df i b e ra c o u s t o-o p t i cm o d u l a t o rb a s e do nI n PJ.P i e z o e-l e c t r i c s&A c o u s t o o p t i c s,2 0 2 0,4 2(1):2 1-2 4.6 胡朝晖,杨婷,亓鲁.原子干涉仪中激光频率和光强控制系统的设计J.激光与红外,2 0 1 4,4 4(6);6 1 4-6 1 8.7 王大贵,吴中超,王晓新,等.一种高速光纤声光调制器J.压电与声光,2 0 1 8,4 0(2):1 5 5-1 5 7.WANGD a g u i,WUZ h o n g c h a o,WAN G X i a o x i n,e ta l.Ah i g h-r a t eo p t i c a lf i b e ra c o u s t o-o p t i cm o d u l a t o rJ.P i e z o e l e c t r i c s&A c o u s t o o p t i c s,2 0 1 8,4 0(2):1 5 5-1 5 6.8 申向伟,吴中超,陈永峰,等.一种超高消光比的光纤声光调制器J.压电与声光,2 0 2 1,4 2(6):7 5 7-7 6 0.S HE NX i a n g w e i,WUZ h o n g c h a o,CHE N Y o n g f e n g,e ta l.Ah i g he f f i c i e n c ya n du l t r ah i g he x t i n c t i o nr a t i o f i b e rc o u p l e da c o u s t o o p t i cm o d u l a t o r c a s c a d em o d u l eJ.P i-e z o e l e c t r i c s&A c o u s t o o p t i c s,2 0 2 1,4 3(6):7 5 7-7 6 0.9 申向伟,王智林,吴畏,等.一种一体化光纤声光调制器J.压电与声光,2 0 2 2,4 4(4):6 5 1-6 5 5.S HE NX i a n g w e i,WAN GZ h i l i n,WU W e i,e ta l.A ni n-t e r g r a t e do p t i c a l f i b e rc o u p l e da c o u s t o-o p t i cm o d u l a t o rJ.P i e z o e l e c t r i c s&A c o u s t o o p t i c s,2 0 2 2,4 4(4):6 5 1-6 5 5.885压 电 与 声 光2 0 2 3年