《光電子技術》PhotoelectronicTechnique第八講聲光調制周自剛

《光電子技術》1本講主要內容一、器件結構與功能二、工作原理三、性能指標四、波導調制器本講主要內容一、器件結構與功能二、工作原理三、性能指標四、2

聲光調制是利用聲光效應將信息加載于光頻載波上的一種物理過程。調制信號是以電信號(調幅)形式作用于電-聲換能器上，將相應的電信號→超聲場，當光波通過聲光介質時，由于聲光作用，使光載波受到調制而成為“攜帶”信息的強度調制波。

聲光體調制器：聲光介質、電—聲換能器、耦合介質、吸聲(或反射)裝置及驅動電源等組成。一、器件結構與功能30聲光調制器結構吸聲裝置聲光調制是利用聲光效應將信息加載于光頻載波上的一3聲光介質是聲光互作用的場所。當一束光通過變化的超聲場時，由于光和超聲場的互作用，其出射光就具有隨時間而變化的各級衍射光，利用超聲波強度的變化→衍射光強的變化，可以制成光強度調制器。(1)聲光介質一、器件結構與功能29聲光介質是聲光互作用的場所。當一束光通過變化4(1)聲光介質（1）應使調制器的衍射效率高，而需要的聲功率小。衍射效率——規定輸出的光強與輸入光強之比，也叫調制效率。如對于1級輸出光強，在同樣的輸入功率下，輸出光強大，ηs大。聲光介質材料選擇要求——介質的品質因數在ηs一定時因此，應選擇大的聲光材料，提高衍射（調制）效率，降低聲功率。一、器件結構與功能28(1)聲光介質（1）應使調制器的衍射效率高，而需要的聲功率小5(1)聲光介質聲光介質材料選擇要求（2）調制器有大的調制帶寬布拉格條件當光波和聲波有發散角時，只允許在一有限的聲頻范圍才產生布拉格衍射，頻率帶寬Δfs

與布拉格角θB可變量之間的關系為一、器件結構與功能27依據什么公式得到的？——光波和聲波的中心波長(1)聲光介質聲光介質材料選擇要求（2）調制器有大的調制帶寬6(1)聲光介質聲光介質材料選擇要求（2）調制器有大的調制帶寬

調制帶寬——取1級衍射光強下降到中心頻率時衍射光強的一半所對應的頻率變化，由超聲波的頻率變化引起。經驗公式fs—調制頻率,L—介質長度,vs—聲速。引入一參數選擇M1大的材料使Δfs大，才能允許fs變化范圍大一、器件結構與功能26(1)聲光介質聲光介質材料選擇要求（2）調制器有大的調制帶寬7(1)聲光介質聲光介質材料選擇要求（3）承受高的光功率密度目前的幾種介質，M1和M2大的材料，易于損壞。（4）聲的吸收系數要小，與換能器阻抗匹配，光學均勻性好。目前采用熔凝石英多，M2雖不高，但其他指標都滿足此要求。而其他：重火石玻璃——M2

↑，透光好，便宜；鉬酸鉛——M2↑，但損耗大，調制效率低。一、器件結構與功能25(1)聲光介質聲光介質材料選擇要求（3）承受高的光功率密度目8(1)聲光介質聲光介質材料選擇要求（5）材料尺寸的確定L的確定，根據布拉格和拉曼納斯衍射的判據布拉格衍射：拉曼納斯衍射：聲光介質考慮：調制效率、調制帶寬、光學性能、尺寸。一、器件結構與功能24(1)聲光介質聲光介質材料選擇要求（5）材料尺寸的確定L的9(2)電—聲換能器(又稱超聲發生器)利用某些壓電晶體（石英、LiNbO3等）或壓電半導體(CdS、ZnO等）的反壓電效應，在外加電場作用下產生機械振動而形成超聲波，將調制的電功率轉換成聲功率。換能器有兩作用系統：外加調制電源和進行機械振動。一、器件結構與功能23(2)電—聲換能器(又稱超聲發生器)利用某些壓10(2)電—聲換能器(又稱超聲發生器)

Δ反壓電效應：在晶體表面沿著電場方向施加電壓，在電場作用下引起晶體幾何形狀應變，電壓方向改變，應變方向亦隨之改變，形變與電場電壓成比例，這種因電場作用而誘發的形變效應，也稱為逆壓電效應。一、器件結構與功能22(2)電—聲換能器(又稱超聲發生器)Δ反壓電效應11(2)電—聲換能器(又稱超聲發生器)1)換能器晶片產生振動由于反壓電效應，產生振動變形。但由于晶體的對稱性，大部分壓電應變系數為0。例如石英晶體（只有兩個獨立壓電應變系數d11和d14）一、器件結構與功能21如果在x方向加電場，會在x方向上振動。當電場的頻率等于晶片的固有頻率時，振動達到最大值——轉換效率最高。忽略橫向振動，在y-z向存在應變，但晶體的厚度d是微米量級，y變形小。(2)電—聲換能器(又稱超聲發生器)1)換能器晶片產生振動12(2)電—聲換能器(又稱超聲發生器)2)換能器的電性能（驅動源和換能器聯接）雖然是機械振動，但它是由電驅動，一般用一個電感、電容、電阻組成的等效電路表示。一、器件結構與功能203)機電耦合系數k換能器把電能轉變為機械振動能（或者說轉變成超聲波多少的參數）—材料選擇的參數。加在換能器上的電能只有一部分轉變為振動能，其他消耗在晶體中。不同的晶體k不同，選k大的晶體，電聲轉換效率高（例如石英k=0.1）。(2)電—聲換能器(又稱超聲發生器)2)換能器的電性能（驅動13一、器件結構與功能19(3)耦合介質在換能器和聲光介質之間夾一層耦合介質，一般銦或銦錫合金。作用：（1）使聲光介質和換能器的阻抗接近—過渡介質，減少聲反射損耗；（2）把換能器粘在介質上，因為換能器d小，幾十微米；（3）作為換能器的電極。聲光調制器結構吸聲裝置一、器件結構與功能19(3)耦合介質在換能14一、器件結構與功能18(4)吸聲(或反射)裝置(放置在超聲源的對面)在行波結構中加吸收器吸收傳播來的聲波，使之不反射。在駐波結構中加反射器反射傳播來的聲波，以便形成駐波。一、器件結構與功能18(4)吸聲(或反射)裝置(放置在超聲15(5)驅動電源產生調制電信號施加于電—聲換能器的兩端電極上，驅動聲光調制器(換能器)工作。一、器件結構與功能17聲光調制器結構吸聲裝置(5)驅動電源產生調制電信號施加于電—聲換能器16拉曼—納斯衍射二、工作原理16布拉格衍射ηs與附加相位延遲因子ν＝2πΔnL／λ有關聲致折射率差Δn正比于彈性應變幅值S而S∝聲功率Ps聲波場受到信號的調制使聲波振幅隨之變化則衍射光強也將隨之做相應的變化拉曼—納斯衍射二、工作原理16布拉格衍射ηs與附加相位延遲因17（1）拉曼-納斯型

fs<10MHz，低頻，帶寬較小入射光

衍射光

調制信號拉曼-納斯型聲光調制器

當工作頻率較高時，最大允許長度太小，要求的聲功率很高，因此只限于低頻和有限的帶寬內工作。由于衍射效率低，光能利用率低，根據判據二、工作原理（拉曼-納斯衍射區）15（1）拉曼-納斯型fs<10MHz，低頻，帶寬較小入射光18衍射光調制信號入射光聲光調制器布喇格型（2）布喇格型tPsId(fm)fm(Is)0PS1/2聲光調制特性曲線為了使調制不發生畸變，則需加超聲偏置（類似于電光調制中的偏壓Vλ/4=Vπ/2），使其工作在線性較好的區域。二、工作原理14衍射光調制信號入射光聲光調制器布喇格型（2）布喇格型tPs19

在聲功率Ps(或聲強Is)較小的情況下，衍射效率

s

隨聲強度Is單調地增加(呈線性關系)

必須使入射光束以布拉格角θB入射，同時在相對于聲波陣面對稱方向接收衍射光束時，才能得到滿意的結果。（2）布喇格型二、工作原理13在聲功率Ps(或聲強Is)較小的情況下，20（1）調制帶寬

調制帶寬是衡量能否無畸變地傳輸信息的一個重要指標，取1級衍射光強下降到中心頻率時衍射光強的一半所對應的頻率變化，用（Δf）m表示。

對于給定入射角和波長的光波，只有一個確定的頻率和波矢的聲波才能滿足布拉格條件。當采用有限的發散光束和聲波場時，波束的有限角將會擴展，因此，在一個有限的聲頻范圍內才能產生布拉格衍射。三、性能指標允許的聲頻帶寬與布拉格角的可能變化量之間的關系為：12（1）調制帶寬調制帶寬是衡量能否無畸變地傳21

設入射光束的發散角為i，聲波束的發散角為，對于衍射受限制的波束，這些波束發散角與波長和束寬的關系分別近似為w0：入射光束束腰半徑；n：為介質的折射率；D：聲束寬度。（1）調制帶寬三、性能指標11如果考慮兩束最邊界的衍射光發生重疊入射角覆蓋范圍應為設入射光束的發散角為i，聲波束的發散角為22

帶寬與聲波穿過光束的渡越時間（w0/vs)成反比，即與光束的直徑(w0)成反比。用寬度小的光束可以得到較大的帶寬。但光束發散角不能太大，否則，0級和1級衍射會有部分重疊，降低調制的效果。即最大的調制帶寬近似等于聲頻率fs的一半。因此，大的調制帶寬要采用高頻布喇格衍射才能得到。（1）調制帶寬三、性能指標10因此要求帶寬與聲波穿過光束的渡越時間（w0/vs)成23（2）衍射效率要得到衍射效率ηs=100％，所需要的聲強度為所需的聲功率三、性能指標9

聲光材料品質因數M2越大，獲100%的衍射效率所需聲功率越小。則電聲換能器的截面應做得長（L大）而窄（H小）。（2）衍射效率要得到衍射效率ηs=100％，所需要的聲強度為24f0：聲波中心頻率表征聲光材料的調制帶寬特性的品質因數M1值越大，聲光材料制成的調制器所允許的調制帶寬越大。（2）衍射效率三、性能指標8雖然增大作用長度L會提高衍射效率，但是，也會導致調制帶寬的減小假如聲波的發散角會得到f0：聲波中心頻率表征聲光材料的調制帶寬特性的品質因數M1值25提高布拉格聲光調制器衍射效率的途徑：

1、選擇聲光性能指數（材料常數或優值）的聲光介質；

2、聲光介質的長度（L)足夠長、寬度(H)窄和適當增加聲功率Ps。注意：功率過高會導致器件過熱，從而影響器件的工作性能和可靠性。（2）衍射效率三、性能指標7提高布拉格聲光調制器衍射效率的途徑：（2）衍射效率三、性能指26（3）聲束與光束的匹配

為了充分利用聲能和光能，認為聲光調制器比較合理的情況是工作于聲束和光束的發散角比。提高衍射光的消光比→希望衍射光盡量與0級光分開→要求衍射光中心和0級光中心之間的夾角大于2Δφ

，即大于8λ/πd0。由于衍射光和0級光之間的夾角（即偏轉角）等于三、性能指標6不是超聲能量邊緣浪費，就是不滿足布拉格條件而不被衍射。調制器性能最佳。（3）聲束與光束的匹配為了充分利用聲能和光27可分離條件為:D0：高斯光束腰部直徑τ：聲束穿越光束的度越時間（3）聲束和光束的匹配三、性能指標5最佳發散角比的條件實際應用中就可以選擇合適的聚焦透鏡焦距可分離條件為:D0：高斯光束腰部直徑（3）聲束和光束的匹配28四、波導調制器4idks入射光衍射光L聲表面波電聲換能器波導層y切割LiNbO3襯底聲光布拉格型波導調制器布拉格型波導調制器由平面波導和交叉電極換能器組成。波導襯底材料采用壓電材料（如LN等）目的：激起表面彈性波。采用Ti擴散形成波導。用光刻方法在表面形成交叉電聲換能器。波導光與電極板條間的夾角滿足布拉格角θ