声光调制器

外调制技术

声光调制是一种外调制技术，通常把控制激光束强度变化的器件称作调制器。调制信号是以电信号（调幅）形式作用于换能器上，再转化为以电信号形式变化的波场，当光波通过介质时，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。

结构

调制器由介质、换能器、吸收（或反射）装置及驱动电源等组成，其结构如图1所示。

介质是指相互作用的区域。当一束光通过变化的机械波场时，由于光和机械波场的相互作用，其出射光就具有随时间而变化的各级衍射光，利用衍射光的强度随机械波强度的变化而变化的性质，就可以制成光强度调制器。

换能器（又称发生器）可以利用某些压电晶体（如石英、LiNbO3等）或压电半导体（如CdS、ZnO等）的反压电效应，在外加电场作用下产生机械波，因此它起着将调制的电功率转换成功率的作用。

吸收（或反射）装置放置在机械波源的对面，用以吸收已通过介质的机械波（工作于行波状态），以免返回介质产生干扰，但要使机械波场为驻波状态，则需要将吸收装置换成机械波反射装置。

驱动电源用以产生调制电信号施加于换能器的两端电极上，驱动调制器（换能器）工作。

工作原理

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）形式作用于换能器上，再转化为以电信号形式变化的机械波场，当光波通过介质时，由于作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。

无论是拉曼-纳斯衍射，还是布拉格衍射，其衍射效率均与附加相位延迟因子有关，而其中折射率差Δn正比于弹性应变S幅值，而S正比于功率Ps，故当机械波场受到信号的调制使机械波强度随之变化时，衍射光强也将随之做相应的变化。布拉格调制特性曲线与电光强度调制相似，如图2所示。可以看出：衍射效率ηs与功率Ps是非线性调制曲线形式，为了使调制波不发生畸变，则需要加偏置，使其工作在线性较好的区域。

对于拉曼-纳斯型衍射，工作机械波波长高于30μm，图3中（a）出了这种调制器的工作原理，其各级衍射光强为的倍数。若取某一级衍射光作为输出，可利用光阑将其他各级的衍射光遮挡，则从光阑孔出射的光束就是一个随变化的调制光。由于拉曼-纳斯型衍射效率低，光能利用率也低，当工作波长较短时，剩余的作用区长度L太小，要求的功率很高，因此拉曼-纳斯型调制器只限于在长波工作，只具有有限的带宽。

对于布拉格型衍射，其衍射效率给出。布拉格型调制器工作原理如图3中（b）所示。在功率Ps（或强度Is）较小的情况下，衍射效率ηs随强度Is单调地增加（呈线性关系），则

式中，cosθb因子是考虑了布拉格角对作用的影响。因此，若对强度加以调制，衍射光强也就受到了调制。布拉格衍射必须使光束以布拉格角θb入射，同时在相对于机械波阵面对称方向接收衍射光束时，才能得到满意的结果。布拉格衍射由于效率高，且调制带宽较宽，故多被采用。

调制带宽

调制带宽是调制器的一个重要参量，它是衡量能否无畸变地传输信息的一个重要指标，它受到布拉格带宽的限制。对于布拉格型调制器而言，在理想的平面光波和机械波情况下，波矢量是确定的，因此对给定入射角和波长的光波，只能有一个确定波长和波矢的机械波才能满足布拉格条件。当采用有限的发散光束和机械波场时，波束的有限角将会扩展，因此，在一个有限的波长范围内才能产生布拉格衍射。根据布拉格衍射方程，得到允许的带宽Δfs与波长λ和布拉格角的可能变化量Δθb之间的关系为

式中，Δθb是由于光束的发散所引起的入射角和衍射角的变化量，也就是布拉格角允许的变化量。设入射光束的发散角为δθ1，机械波束的发散角为δφ，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

式中，ω0为入射光束束腰半径；n为介质的折射率；D为宽度。显然入射角（光波矢ki与机械波矢ks之间的夹角）覆盖范围应为：Δθ=δθi+δφ

若将角内传播的入射（发散）光束分解为若干不同方向的平面波（即不同的波矢ki），对于光束的每个特定方向的分量在δφ范围内就有一个适当波长和波矢的机械波可以满足布拉格条件。而机械波束因受信号的调制同时包含许多中心波长的载波的傅里叶波谱分量。因此，对每个波长，具有许多波矢方向不同的机械波分量都能引起光波的衍射。于是，相应于每一确定角度的入射光，就有一束发散角为2δφ的衍射光，如图4所示。

而每一衍射方向对应不同的波长移动，故为了恢复衍射光束的强度调制，必须使不同波长移动的衍射光分量在平方律探测器中混波。因此，要求两束最边界的衍射光（如图4中的OA′和OB′）有一定的重叠，这就要求δφ≈δθi，若取δφ≈δθi=λ/πnω0，则调制带宽为

上式表明，调制器的带宽与机械波穿过光束的渡越时间（）成反比，即与光束直径成反比，用宽度小的光束可得到大的调制带宽。但是光束发散角不能太大，否则，0级和1级衍射光束将有部分重叠，会降低调制器的效果。因此，一般要求δθi<δφ，于是可得

即最大的调制带宽(Δf)m对应的波长(Δλ)m近似等于波长λs的一半。因此，大的调制带宽要采用短波布拉格衍射才能得到。

衍射效率

调制器的另一重要参量是衍射效率。根据晶体的相关知识，要得到100%的调制所需要的强度为

若要表示所需的功率，则为

可见，材料的品质因数M2越大，欲获得100%的衍射效率所需要的功率越小。而且换能器的截面应做得长（L大）而窄（H小）。然而，长度L的增大虽然对提高衍射效率有利，但会导致调制带宽的减小（因为发散角δφ与L成反比，δφ值小意味着小的调制带宽）。令，带宽可写成

由此解出L，并应用晶体的相关知识可得

式中，λ0为中心波长(带宽等于vs/λs)。引入因子，M1为表征材料的调制带宽特性的品质因数。M1值越大，材料制成的调制器所允许的调制带宽越大。

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