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铌酸锂的应用（五）声光调制器

2023-12-01

声光调制器的基本原理

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声光器件称作声光调制器。它利用调制信号在调制器中产生超声波场来改变器件的折射率，从而通过改变器件光的相位或强度，达到调制目的。声光调制器被广泛应用于光通信、光存储、光学信号处理等领域，具有传输距离远、传输速度快、抗干扰能力强等优点。

铌酸锂的优异性能（五）声光效应

声光调制器由驱动源、声光介质和压电换能器构成。当驱动源的某种特定载波频率驱动换能器时，换能器即产生同一频率的超声波并传入声光介质，在介质内形成折射率变化，光束通过介质时即发生相互作用而改变光的传播方向即产生衍射，如下图所示：

布拉格衍射原理图

当外加信号通过驱动电源作用到声光器件时，超声强度随此信号变化，衍射光强也随之变化，从而实现了对激光的振幅或强度调制；当外加信号仅为载波频率且不随时间变化时，衍射光的频率发生变化而达到移频。

衍射光随调制信号的变化

声光调制器的性能指标

光波长：用于声光互作用的有效波长

光波长范围：满足声光性能参数规约的光波长宽度

工作频率：声光器件工作的声载波频率

衍射效率：衍射光强与透过声光介质总光强的百分比值

脉冲重复率：脉冲信号包络的时间周期的倒数

光脉冲上升时间：脉冲信号前沿从10%上升到90%稳定值得时间

调制带宽：以低频信号得最大调制度为基值，改变调制信号直到调制度下降3dB所对应的频率宽度

线性度：一级衍射光与控制电压改变的关系曲线的线性状况

电压可调范围：满足线性度指标的控制电压范围

线性光强等级：衍射光强度随控制电压改变所能达到可分辨的光强变化等级，亦可称为灰度等级

消光比：一级衍射光方向上器件处于“开”状态的最佳衍射光强与“关”状态下的杂散光强之比值

光学透过率：声光介质插入光路中的透过光强与自由光路的光强之百分比值

移频带宽：以中心频率频率处衍射光强的最大值为基准，衍射光强随声载波频率改变而下降至3dB所对应的宽度。

基于薄膜铌酸锂的声光调制器

声光相互作用本质上是一种多物理场耦合过程，射频信号驱动的声波可通过弹光效应、压电效应、电光效应、移动边界效应等改变局部波导的折射率来操纵光子。基于这个原理，该耦合过程激发了许多巧妙的应用，例如调制、移频、光束偏转、滤波、开关等等。

基于体材料的传统声光调控器件对光子和声子能量束缚能力都较弱，导致介质中声光相互作用强度较低。与体材料相比，薄膜铌酸锂可以将声表面波（SAW）和光导波很好地限制在薄膜内，有助于在波长尺度范围内实现高的声光重叠效果，进而获得小型化、高性能、低成本的片上声光调控器件。一般来讲，声表面波是由放置在薄膜压电材料上的叉指换能器（IDT）产生，而高性能的片上声光调控器件依赖于低损耗的光波导与高效率的IDT。

基于薄膜铌酸锂的片上高效声光调制器

目前，全球市场上在售的声光调制器价格偏贵，光波适用带宽有限，零级光和一级衍射光在有限空间上分的不够开，分子指纹波段区域 6-9μm 的声光调制器更是鲜有耳闻。而片上集成化声光调制器的研制，能显著降低器件的驱动电压，满足器件小型化的需求，未来在替代体材料的声光调制器方面，无疑具有重要价值。