（光学专业论文）基于集成光学声光可调谐滤波器的近红外光谱仪的研究.pdf

中文摘要 基于集成光学声光可调谐滤波器的近红外光谱仪是一种新型的光谱分 析仪器。它体积小巧、结构紧凑，没有任何机械调节和传动装置，具有光谱 扫描速度快、可靠性高、重复性好等优点，比起传统的光谱仪在性能上有了 很大的改善。 本文首先介绍了单级集成光学a o t f 光谱仪的基本结构和工作原理，然 后利用声光耦合模理论对光谱仪的各种特性进行了详细的分析，包括特征方 程、点扩散函数、色散本领和分辨本领；在此基础上，研制出了a o t f 光谱仪 的雏形，并进行了可调谐实验和光谱测量实验。为了进一步提高光谱仪的分 辨本领，抑制侧瓣，在第二章中讨论了三种切趾方案：电光双折射切趾、权 重切趾和准共线声光耦合切趾，并给出了各自的实验结果；其中，准共线声 光耦台切趾因为结构和制作工艺简单，侧瓣抑制水平高，所以比其他的两种 方法更具优势。在第三章中，讨论了两级a o t f 光谱仪的设计，给出了它的核 心器件两极a o t f 的基本结构和特性分析，并对其中关键元件一集成光 学模分离器和模反射镜的研制进行了简要论述。在第四章中，设计了一套光 谱仪的数据采集系统，利用这个装置可以容易地实现计算机自动控制实验过 程和记录实验测量数据，大大提高了仪器的自动化程度；另外，还介绍了利 用傅立叶退卷积的方法处理数据，消除由于光谱仪分辨本领不足引起的光谱 线重迭和增宽现象。 关键词：光谱仪集成光学声光可调谐滤波器( a o t f )声光耦合 a b s t r a c t an e wt y p e s p e c t r o m e t e rb a s e do na n i n t e g r a t e do p t i c a la c o u s t o o p t i c t u n a b l ef i l t e r ( a o t f ) i sr e s e a r c h e d i ti sas o l i d s t a t e ，s m a l l s i z ea n dc o m p a c t d e v i c e ，w h i c hh a sn o ta n yp a r to f m e c h a n i c a lg e a r i n g t h i sk i n do f s p e c t r o m e t e r i sa ni m p r o v e m e n tu p o nt r a d i t i o n a lo n ea si th a sa d v a n t a g e so f g o o dr e l i a b i l i t y a n d r e p e a t a b i l i t y i nt h i sp a p e r f i r s to f a l l ，t h eb a s i cs t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo f t h e o n es t a g ei n t e g r a t e da o t fs p e c t r o m e t e ri s g i v e n i t sc h a r a c t e r i s t i c sa r ea l s o a n a l y z e d i n d e t a i l ，i n c l u d i n g t r a n s m i s s i o n f u n c t i o n s ，p o i n ts p r e a df u n c t i o n ， d i s p e r s i o np o w e r a n ds p e c t r a lr e s o l u t i o n a f t e rt h i s ，ap r a c t i c a ld e v i c eh a sb e e n f a b r i c a t e da n dt h er e s u l t so ft u n a b l ee x p e r i m e n ta n ds p e c t r u mm e a s u r e m e n ta r e g i v e n s e c o n d l y , t h r e ed e s i g nc o n f i g u r a t i o n st or e d u c et h es i d e l o h eo f a o t f s p e c t r o m e t e ra r ei n v e s t i g a t e d ，w h i c ha r ee l e c t r o o p t i c a lb i r e f r i n g e n c ea p o d i z a t i o n ， w e i g h t e dc o u p l e ra p o d i z a t i o n a n d q u a s i c o l l i n e a ra c o u s t o o p t i c a lc o u p l i n g a p o d i z a t i o n t h i r d l y , t h ed e s i g no ft w o - s t a g ea o t fs p e c t r o m e t e ri sd i s c u s s e d a n dt h ep r i n c i p l eo fi t sk e yc o m p o n e n t s - - - - - i n t e g r a t e do p t i c a lm o d es p l i t t e ra n d r e f l e c t o ra l eg i v e n f i n a l l y , ap cc o n t r o l l e dd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e ma n da r e s o l u t i o ne n h a n c e m e n tm e t h o dn a m e df o u r i e r s e l f - d e c o n v o l u t i o n ( f s d ) a r e p r e s e n t e d k e y w o r d s ：s p e c t r o m e t e r ，i n t e g r a t e d o p t i c a la c o u s t o o p f i e t u n a b l ef i l t e r a e o u s t o o p t i ec o u p l i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得蠢鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文。 ， 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 欲狮 签字日期： 知昭年月尹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：玖挎导师签名：f ；f 鸡蓐 签字日期：工口和年f 月9 日 签字日期：0o 3 年j 月i6 日 天津大学硕士学位论文绪论 绪论 第一节近红岁 光谱仪的发展 汽谱坟是进行物囊光谱磷突_ 葶鞋毙谱分板豹装霆。它鲍蘩零作用是测定被 骈究光源的光谱缀成，包括它的波长、强度与轮廓等。遥红辨区域按a s t m 定义鼹指波长范围襁7 8 0 2 5 2 6 n m 范围内的电磁波，是人们最早发现的非 可见光区域，距今已有2 0 0 多年的鹰史。近二十多年以来，随着数学、统计 学黟嚣雾壤释学豹飞速发震，邋髓翳毙灌鼓零程迂缓多 毙瀵纹嚣开始广泛瘟 用于阐民生活的备个方面，包括叛学、生物学、物理学、化学、天文学以及 目前最引人注目的信息通讯领域。近红外光谱仪器的发展缀历了从形成、发 展裂残熬鳇三个黔段，瑷在已经形成多个静类。从旱裳黪滤浅片型近毵娥光 谱仅粥目前最为域熬的光撵稿描登远红井光谱仅、搏立时燮换近红外光谱 仪，樽到以声光w 调谐滤波器( a o t f ) 作为分光元件的新型光谱仪，每次 发展在仪器的设计方式、性能茅珏测量方法上都发生了很大的变化，但总体目 标楚囱着实瑷纹嚣戆爱毫纯、羹动纯，毫这纯与准确纯方翔涎遘。 根据近红外光谱仪所采用的分光元件的不问，它可以划分为以下四茸巾主 要类型：分光棱镜型、衍射光栅型、傅立叶变抉型和声光可调谐滤波器型。 分光棱镜型近红多 光谱仪f i l 是稠蹋棱镜材料慰不同波长的光舆毒不同的辑射 率，扶丽巯产生誉嗣的偏翔角熬潦理裁成酌。这种光谱便设计简单、光邋鬣 大、信号记录快。但是存在工作光谱区受材料潦过率限制、角色散率与波长 有关、以及对透镜材料光学特性要求严格等缺点。衍射光栅犁近红外光谱仪 楚蘩l 瘸毙撵餐袋角戆歪弦与滚畏莹歪跑，瓣囊多波长成分缀藏豹入瓣竞分 离劐不同的角度，褥由反射镜聚焦到探测嚣中的原理制成的。它具有可以实 现垒光谱扫描、分辨率高、便于维护等优点，但其最大的弱点是光栅或威射 镜盼觇城轴承受长时间连续使用容易磨损，影响波长精度髑薰现性，并照体 积嶷夫，j i 砉滠囊、建动等因素敲薅，不适躅予翳辫或远程旋线使蠲。薅立时 变换近红外光谱仪1 2 是利用干涉网和光谱图之间的对应关系，通过测量干涉 图和对干涉图进行傅立叶积分变换的方法来测定和研究光谱的。这种光谱仪 具鸯壤噪毙蔫、稳定蛙壅 、分辨率凑靼波长糕浚蹇等霞点，毽是由于于渗饺 天津大学硕士学位论文绪论 中动镜的存在，在线长久使用时，可靠性受到限制，抗震性差，对仪器使用 和放置环境要求苛刻。基于以上三种传统光谱仪各自存在的不足之处，采用 新型分光元件的光谱仪开始引起人们的普遍关注，特别是随着信息技术革命 的到来，光通讯技术飞速发展，对光通讯信道的光功率、信噪比和信道增益 的测量也变的越来越重要，这些测量要求光谱仪器性能稳定、体积小巧，适 用于在线使用。针对这些特殊要求，研制出的以声光可调谐滤波器( a o t f ) 作为分光元件的新型光谱仪1 3 1 4 1 被认为是近年来近红外光谱仪器最突出的进 展。这种光谱仪所采用的核心元件a o t f 是利用各向异性晶体在声光相互作用 下的布拉格衍射效应制成的可调电控( 声频) 滤光( 波长) 器件，研制初期大多 采用体器件的结构，并且具有共线口l 和非共线【6 】两种工作方式。近年来出现 的集成光学a o t f 7 1 可以将许多器件集成在一个基片上，结构更加紧凑、小 巧。以集成光学a o t f 作为分光元件的光谱仪与体器件a o t f 光谱仪相比，模 转换效率可接近1 0 0 ，分辨本领提高到十几个a ( 体a o t f 光谱仪通常为数十 个纳米) ，并大大降低了所需的r f 驱动功率( 大约几十毫瓦，而体a o t f 光谱 仪通常接近l w ) 。另外，集成光学a o t f 光谱仪还为多通道( 如1 0 0 路) 光学集 成提供了可能陋】 9 1 ，同时减小了光路的复杂性。它特别适用于对器件尺寸和 驱动功率要求更加苛刻的环境中，例如遥感测量、野外测量和外科手术中输 血时的血样分析。而且，由于集成光学a o t f 光谱仪输出端接有尾纤，因此还 可以直接接入光纤通讯系统进行波分复用的信道分析。 第二节集成光学a o t f 光谱仪的主要优点 集成光学a o t f 近红外光谱仪为全固态装置，体积小巧，结构紧凑。由于 使用了集成光学a o t f 作为分光元件，所以同传统的光谱仪相比，这种光谱仪 有很多独特的优点，其中包括： 一没有任何机械传动和调节装置。集成光学a o t f 光谱仪利用声光耦合 原理工作，它的扫描透射波长只和所加的声波频率存在对应关系。进行光谱 测量时，只要在相应的声波频率内进行扫描，就可得到输入光谱分布。因此， 避免了使用传统光谱仪用来调整衍射光角度的机械传动装置，提高了仪器的 稳定性，对环境震动不敏感。 2 天津大学硕士学位论文 二重复性好，波长偏差小。由于所加的声波射频信号是数显模式，因 此在使用a o t f 光谱仪的时候，只需经过一次校准操作，避免了传统光谱仪的 多次校准过程。例如：对于一个典型的集成光学a o t f 光谱仪而言，可以保证 其波长重复性偏差小于0 o o s n m 三测量数据准确。a o t f 光谱仪可以通过改变声波信号功率的方法，快 速准确的调节衍射光强，这种特性使得它非常适合与同步放大器连接使用， 这种改进了的光谱仪可以有效的避免数据采样过程中的偏差，并提高了信噪 比。 四出射光强损耗小。由于采用了集成光学器件，在进行光谱测量时， 可通过尾纤进行耦合，而不必采用任何形式的狭缝，比起传统的光栅光谱仪， 大大降低了器件的光损耗。 五光谱扫描速度快。集成光学a o t f 光谱仪光谱的扫描速度主要由两个 因素决定：( 1 ) 声波穿过器件的时间( 通常为几十微秒) ；( 2 ) 信号发生器的扫 频时间( 通常为秒数量级) ：这意昧着与传统的光栅光谱仪或者棱镜光谱仪用 于调整分光器件角度的时间相比，光谱的测量速度有了几个数量级的提高。 另外，集成光学a o t f 光谱仪还具有稳定性强、无二级光谱以及易于与计 算机接口进行扫描控制等优点。 天津大学硕士学位论文第一章 第一章单级集成光学a o t f 光谱仪 本章首先介绍了单级集成光学a o t f 光谱仪的基本结构，然后采用声光耦 合模理论讨论了光谱仪的工作原理，并对光谱仪的各种特性进行丁详细的分 析，最后还给出了实际仪器的可调谐实验和光谱测量结果。 第一节单级集成光学a o t f 光谱仪的结构 单级共线型集成光学a o t f 光谱仪的基本结构如图1 1 i 所示。 1 5 声吸收器2 叉指换能器3 声波导4 光波导6 t e 通偏振器 图1 1 1 单级共线型集成光学a o t f 光谱仪 其中的分光元( f f - a o t f 主要由光波导、声波导、叉指换能器、t e 通偏振器 ”o j 等几部分构成。在叉指换能器上旌加射频信号，可以激发出平行于光波导 传播的声表面波( s a w ) ，利用声表面波提供的周期性扰动，当入射光以t m 偏振态入射，且光波波长满足位相匹配条件： i j 岛日一，。i = l k 。i ( 1 1 1 ) 时，t u 4 9 完全转化为t e 模，式中b 饨、b 。、x 。分别为t e 模、t m 模和声波的波 数。由于光波波长和声波频率之间存在对应关系。所以只要改变声波频率， 就可以将不同波长的光波滤出，起到分光的作用。声光相互作用区域又称为 模转换器1 1 l l 。 根据量子理论的观点，声光作用是光子与声子之间的相互作用，应满足 以f 能量和动量的守恒关系： 4 天津大学硕士学位论文第章 a d = a ， 。 ( 1 1 2 ) 砖= 置+ k ( 1 1 3 ) 式中，m i 和。沩转换前后光子的角频率；正，和圣。为光波波矢量；k 为 声子的频率和波矢量； 为普朗克常数。显然，转换后的光子频率增加或者 减少了一个声子的频率。 在共线的情况下，式( 1 1 3 ) 可以简化为 a = a a n( 1 1 4 ) 为光波波长，人为声波波长，an 为波导的双折射率。对于单一的s a w 波长 a 只对某个特定的波长提供有效的模式转换，因此其具有波长的选择性。 第二节集成光学a o t f 光谱仪的工作原理 集成光学a o t f 光谱仪的工作原理可以用声光耦合模理论”j 来描述。沿x 切y 传铌酸锂晶体钛扩散单模光波导传播的光波有两个偏振模式，准t e 。模和 准t 地模。设它们的光波电矢量分别为e t e 和k 。若沿光波传播方向的折射率受 到周期性扰动，则介电张量可以分解为； 6 ( x , z ，y ) = 占o ( t z ) + s ( t z ，y ) ( 1 2 1 ) 其中6 ( 0 是介电张量的主要部分，f 是微扰部分， 不含微扰的波动方程为： v 2 豆叫( 础) 等营= 。 它沿y 轴方向周期性变化。 ( 1 2 2 ) 其中丘代表光波的电矢量。 其通解为正交归一的简正模的线性组合： 童= 4 e , ( x , y ) e x p - i ( o ) 卜届z ) 】 ( 1 2 3 ) i = t e7 m 以t 岭t e 转换为例，n 在t ：o n ，波导中只存在模弓。“：) ，其振幅为a t i ， 则波方程的解为： e = ( x ，z ) e x p - i ( c ot f l r u z ) l ( 1 2 4 ) 上式说明，不存在微扰时，如果f = 0 时，波导中只存在t m 模点( x ，z ) ，以后 任意时刻，也仅存在丁m 模，不会激起t e 模。加上周期性微扰后，包含微扰的 波动方程为： v 2 匠- c 0 2 d o e ( ) + 似，y ) 】等= o ( 12 5 ) 将周期性微扰进行傅里叶展开得： 天津大学硕士学位论文第一章 a z ( x y ) = 气( 即) e x p 一砌等y 】 ( 1 2 6 ) 式中，a 是微扰的周期，并已将。级项包括在式( 1 2 1 ) 介电张量的主要部 分中。利用改变常数法处理( 1 t2 5 ) 式的试探解，并利用模式的正交归一关 系，将( 1 2 6 ) 式代入，可得： 警= ，掣，善c 讪廊水w 一风一喀h ，、 警= t 瓦 p 】= e i ；饿施”艰风一一m 净 式中耦合系数 嘿m 2 署瑶( t z ) 乇( ，：蚴 ( 1 2 8 ) c 品乙m = 罟e ；i m ( t z ) 毛( t z ) e r z ( x ，= ) 抛 ，知力：掣州加， n 。 睦”，掣r + e 删_ 捌 “ 天津大学硕士学位论文第一章 万d 彳m o ) = ，捌。o ) p 1 妒y 面d a m ( ，) = i k * a t e ( 炉举y 此方程组的解为 ( 1 2 1 1 ) 伽冲份 c o s c 咿，等蚴) a r e ( 0 ) + i 圳刊 i r 等s i n ( s y ) a r 。( 0 ) + c o s ( s y ) + is i n c 妙枷。) ) ( 1 - 2 1 2 ) 式中，5 = 若在z = 0 时只存在t m 模，即假岛。( 0 ) = 1 ，岛。( o ) = 0 ，则在坐标为y 处的 模振幅为： 一e o s ( s y ) - i 等恤s i n 、( 廿份 江： ：f s i 。( 妙一势 、 粤n 2 ( 咖南如。厢) ( 1 2 1 4 ) 当满足布喇格条件( = 0 ) 时，耦合效率，即模转换效率最高： i 。= s i n2 ( i r i ，) ( 1 2 1 5 ) t e t m 模转换效率与a # l l z c 的关系如图1 2 1 所示。 1 05051 0 a b l h 图1 2 1t m c t e 模转换器对光波波长的透过率 _【io矗量童_i_ 天津大学硕士学位论文第一章 第三节集成光学a o t f 光谱仪的特性分析 1 特征方程及点扩散函数 根据声光耦合模理论，单级共线型集成光学a o t f 光谱仪的透过率函数 具有s i n c 2 的形式，即： 口= 式中r 是声光耦合常数，l 卸= s i n 2 卜晒 ，+ ( 尝) 2 是声光作用长度，口由下式给出 加睁爿 ( 1 3 1 ) ( 1 3 2 ) 式中a n = 陆一i ，j , 蛆n r u 和，h 分别是t m 模和t e 模的有效折射率，五 是入射光波长，正和u 。分别是声波的频率和相速。 当满足位相匹配条件，即芦= 0 时，p 有极大值。因此与中心波长五相 应的声频f o 由下式给出： 垒一厶：o d d ( 1 3 3 a ) 或者 六= 半u ( 13 3 b ) 式中c 是真空中的光速，v 是光波的频率。式( 1 3 3 a ) 或( 1 3 3 b ) 就是 a o t f 光谱仪的特征方程，它与光栅光谱仪中的光栅方程相当。 式( 1 3 1 ) 给出了当单色光( 五一定) 入射时，透过率随声频正的变 化。因此，它就代表了a o t f 光谱仪的点扩散函数。令 吐：旦石( 1 3 4 ) 2 从实际应用的角度考虑，将口限制在1 口7 0 的范围内，将式( 1 3 4 ) 代入式( 1 3 1 ) 得到： 天津大学硕士学位论文第一章 口=如2 警丽( 1 3 5 ) 当= o 时，p 有极大值s i n2 要。当偏离位相匹配条件( 即0 ) 时，p 会下降。设举：卢，时，p 下降到极大值的一半，即去西”2 警： 2 f 筇。三、2 l + i 至一i l 觚j ：三s i l l2 塑( 1 3 6 ) 22 采用迭代算法得到三一口的变化曲线如图1 3 1 所示。可以看出随着a 从1 降到。8 ，a f l v 2 l 近似成线性增长。图中曲线的斜率望掣。一0 1 7 。 图1 3 2 给出的是当口取不同的值时，点扩散函数随匝的变化，口= 1 ( 或 越= 要) 时，点扩散函数曲线最锐，此时 举l 2 三= o8 0 n ( 1 3 7 ) 可见，集成光学 0 t f 光谱仪的点扩散函数的半极大值全带宽( f w 删) 随口 的增加而变窄。引入声光材料的品质因数m 。后，耦合常数茁和光波波长a 的关系可以表示为： 七= 三托瓜 s s ， 式中，。是声波的强度( 通过单位面积的声能流) ，由( 1 3 8 ) 可知，如果，。 保持不变，茁将随波长五向长波方向移动而下降，从而引起口减小，f w | m 变宽。但只要波长相对变化a 肛不超过2 0 ，f w 删的变化不会很显著。 9 甚 导 天津大学硕士学位论文第一章 图1 3 1 a a , ：l 与口的变化关系曲线 2 0 。1 5 圳够? 三5 1 0152 0 图1 - 3 2 口取不同值时，透过 率曲线随啦的变化关系 2 色散本领 色散本领定义为单位光学频率间隔所对应的峰值声频的间隔。由式 ( l3 3 b ) 不难得出： 皇笠：业 ( 1 3 9 ) d vc 色散本领也可以定义为单位光学波长间隔所对应的峰值声频的间隔。 由式( 1 _ 3 3 a ) 不难得到： 一d f o 业 d 凳 因为a n 近似的等于声光媒质的双折射率，所以为了获得高的色散本领， 应选择u 。和双折射率高的媒质。 l i n b 0 3 晶体就是一种高品质的声光媒质，经实验测得：在五= 1 5 b a n 时， a n 2 0 0 7 3 。对于x 切y 传l i n b 0 3 ，在相应声频工= 1 7 4 唧z 时，得出u 。= 3 6 3 0 m s d 以f o = 0 1 1 6 m h z n m 。 3 分辨本领 当址= 要时，由式( 1 3 7 ) 求出半极大值全带宽( f w h m ) ： l o 0 8 1 0 l o 0 0 0 0 00b 天津大学硕士学位论文第一章 魄= 两0 8 0 2 2 ( - - s ，) 如果同时入射的两条谱线强度相等，而且间隔等于m 。的1 1 倍，这 时一条谱线的极大值近似落在另一谱线的第一个极小值上。如果我们将这 样的两条谱线看作刚好能分辨，则分辨本领 尺：ll ：鲣 幽，o8 8 2 2 将式( 1 3 3 a ) 代入上式得到： ， r = 1 1 4 兰 a 或者 r = 1 1 4 r 无 式中，a 是声波波长，f = l v 。是s a w 传播声光相互作用距离l 所需 要的时间。这表示，光谱仪的分辨本领与l 内所包含的声波周期数呈正比， 这与光栅的第级光谱的分辨本领r = n( n 是光栅周期数) 类似。如果 近似地认为a n 等于双折射率，而且不随波长改变，那么，声光作用区越长， 双折射率越大，分辨本领就越高。另外，在短波一侧的分辨本领要高于长 波一侧。 天津大学硕士学位论文第一章 第四节集成光学a o t f 光谱仪的实验 根据前面的理论分析，我们研制成了单级共线型集成光学a o t f 光谱仪 的初步模型，并进行了可调谐实验和光谱测量实验，取得了令人比较满意 的结果。 1 器件的制作工艺 光谱仪所采用的核心器件集成光学a o t f 的制作工艺如下： 第一步，在x 切y 传l i n b o ，基片表面溅射两条相距1 5 0 ，删，2 2 0 ，删宽、 1 4 0 n m 厚的钛条，然后在1 0 5 0 0 c 温度下扩散3 l 小时，形成声波导； 第二步，在声波导中间溅射一条8 埘宽，6 5 n m 厚的钛条，1 0 5 0 0 c 温度 下扩散9 小时，形成光波导； 第三步，在光波导上适当位置采用2 4 r i m 厚m g o 薄膜和1 4 0 n m 厚铝膜制 成t e 通偏振器； 第四步，在基片表面溅射1 4 0 h m 厚铝膜制成叉指换能器，它由十对周 期为2 0 4 朋l 的叉指构成； 第五步，将样品两端抛光，最后连上单模尾纤。 2 叉指换能器的阻抗匹配 对已制作完成的a o t f 进行性能测试时，首先要进行叉指换能器( i d t ) 的宽带阻抗匹配1 1 3 】i 这是因为信号发生器的电功率转化为声功率的效率 依赖于i d t 与信号源之间的电学匹配，只有当蹒足阻抗匹配条件：z ，= z 。 ( z ，：i d t 阻抗，z 。：信号源阻抗) 时，信号源提供的功率才能被t d t 充 分的接受，这个条件在一般情况下是不满足的。 我们采用的匹配电路由电容和电感组成，如图l4 i 所示。电感由直 径5 m 的线圈组成，导线是由0 5 m m 的镀银铜丝，电容在3 - 1 0 p f 之间选择。 利用衍射法测量声功率，在所需的中心频率附近，声波功率反射率越小， 则匹配越好。改变线圈圈数或调节线圈疏密和电容，以达到最佳值。经过 多次实验测量获得，当匹配电容为7 5 p f ，匹配电感为3 0 n h 时，匹配电路 处于最佳匹配状态，可激起宽带、高功率的声表面波。 一：l 一 l - 时 ”l 引。书，1 q 豳 ： 谑f 天津大学硕士学位论文 第一章 k ：信号源阻抗，l ：匹配电感， c ：匹配电容 c p ：i d t 的静电容，c t ：i d t 的寄生电容， g ：i d t 的消耗电阻 图1 4 1 叉指换能器等效电路和阻抗匹配 3 + a o t f 性能测试 一1o - 08 n 6 - 0 4 n 20 00 2040 60 810 f r e q u e n c y o f a c o n s t i ca f m h z 图1 4 2a o t f 透过率函数曲线 利用输出波长为1 5 2 3 u m 的 氮氖激光器，我们对制成的a o t f 进行了性能测试，在有效声光作 用长度1 6 t r a n ，射频驱动功率3 5 m w ， 声波频率1 7 7 8 m h z 时，获得了插 入损耗一4 d b ，3 d b 带宽1 6 r i m ，模 式转换效率大于9 9 3 ，开关时间 小于5 u s 的实验结果，与理论计 算结果符合的较好。其透过率函 数曲线如图1 4 2 所示。 4 a o t f 光谱仪实验和分析 采用第一章中介绍的集成光学a o t f 光谱仪的基本结构，我们进行了可 调谐实验和光谱测量实验。 1 ) 可调谐实验。 这个实验的目的是验证 o t f 光谱仪的可调协性，即声波频率和透射 光波波长之间的对应关系。当所加声波频率取一系列不同的分离值时，透 射的光波长也应该是一系列分离值。实验装置如图1 4 3 所示。我们利用 了实验室现有的半极大值带宽为7 r i m 的掺铒光纤放大器( e d f a ) f ”1 的自发 辐射光谱作为宽带光源，如图1 4 4 所示。由于a o t f 光谱仪输出端有t e 通偏振器，所以e d f a 的输出首先要经过偏振器和偏振控制器，调节成单 的t m 偏振态输入，这样，加上声波频率信号后，经过模式转换的t e 光才 能输出。经a o t f 光谱仪的输出光再通过一个9 ：1 的耦合器分为两部分， 其中大部分的光荐送回到e d f a 的输入端口中，形成反馈。这样做的目的是 利用e d f a 本身的光放大和模式竞争功能，使最终的输出带宽进一步变窄。 1 口的输出经数据采集系统，连入计算机中进行实验结果显示。图1 4 5 给出了对最终稳态输出的测量结果。 天津大学硕士学位论文 第一章 图1 4 3a o t f 光谱仪可调谐实验装置图 3 3 0 1 5 3 1 1 5 5 2 1 5 3 3 1 5 3 4 1 5 3 5 1 5 3 5 1 5 3 7 1 5 3 5 1 5 3 9 w a w l e n g t h ( n m ) 图1 4 4e d f a 自发辐射谱 图1 4 5a o t f 光谱仪调谐输出光谱 在图1 4 5 中，测量时所加的声波频率是一系列固定的分离值，变化 范围从1 7 4 2 m h z 到1 7 5 2 m h z ，每次的变化间隔是0 2 m h z ，相应的也得到 了一系列分离的透射光波。从图中可见，由于声频的变化间隔相同，所以 得到的光波的波长变化间隔也大致相等，而且谱圈的包络线的形状也与 e d f a 自发辐射谱的形状相一致。这个实验充分的证明了集成光学a o t f 光谱 仪具有很好的调谐功能。 ( 2 ) 光谱测量实验 要验证a o t f 光谱仪的性能，必须进行实际的光谱图测量，并同高分辨 本领的光栅光谱仪的测量结果进行比较。为此，我们进行了发射光谱的测 量，实验装置如图1 4 6 所示。我们首先选用了e d f a 作为宽带光源，然后 经过m _ z 型奇偶滤波器( i n t e r l e a v e r ) 【1 6 】【1 刀输出梳状的光谱，图1 4 7 给出 了该光谱经高分辨本领的光栅光谱仪的测量结果。再经过偏振器和偏振控 制器调节成单一t m 偏振态，通过尾纤连入a o t f 光谱仪进行测量。利用事 先编好的数据采集程序，可以同时将扫描的声波频率和滤出光强输入计算 机进行存储和处理，再利用a o t f 光谱仪的特征方程求出各点声频所对应的 光波波长，得到的测量结果如图1 4 8 所示。 |12一g星 天津大学硕士学位论文第一章 图1 4 6a o t f 光谱仪光谱测量实验装置 f 1 2 61 5 2 81 5 3 01 5 3 21 5 3 41 5 3 61 5 3 81 5 4 0 w 删叼h t 忡m ) 图1 4 7 光栅光谱仪测量光谱图1 4 8a o t f 光谱仪测量光谱 比较图1 4 7 和图1 4 8 ，可以看出两者的峰值基本一致。而且，利 用a o t f 光谱仪测量时的损耗远远小于光栅光谱仪。 扫g一_- 天津大学硕士学位论文第二章 第二章集成光学a o t f 光谱仪的切趾 由于共线型集成光学a o t f 光谱仪的点扩散函数具有s i n c2 函数的形式， 所以它的侧瓣较高，约为一9 d b ，这严重限制了光谱仪分辨本领的提高。为了 抑制侧瓣，达到提高分辨本领的目的，可以采用不同的方法。本章分别介绍 了电光双折射切趾、权重切趾和准共线声光耦合切趾三种方案，并给出j ，各 自的实验结果。其中，准共线声光耦合切趾方案因为结构和制作工艺简单， 侧瓣抑制水平高，所以比其他的方法更具优势。 第一节电光双折射切趾 利用l i n b o 。晶体的电光效应来改变沿光波导的双折射率分布以实现切趾 的方法，称之为电光双折射切趾m j 。采用电光双折射切趾的器件的结构如图 2 1 1 所示。我们用x 切y 传的l i n b ( h 晶体作为基底。根据l i n b o ，晶体的电 光效应，沿z 轴施加电场后新的折射率椭球方程为： ，嚎嘲+ y 2 ( 。1 - ；- + r 1 3 e * ) 竹2 畴+ ，3 3 e ) _ 1 ( 2 t1 1 ) 新的主折射率为： = 一吃，e ( 2 1 2 ) ：= 力。一疗：3 e z ( 2 1 3 ) 折射率差为： 8 n = ( 刀。一疗。) + 去( 疗。3 3 一力。3 ，3 3 ) t ( 2 1 4 ) 苎! 毒边蔓三璺孕由电场引起的双折射 l ：电极对1 ， 2 ：电极对2 ， 率变化，它只与电场强度有关a 我们采 3 ：光波导，4 ：声波导， 用有限元法( f e m ) 【1 9 】1 2 0 l 【2 1 1 来计算电场5 ：叉指换能器 的分布。在得到确定的电场分布后，由 图2 1 1 电光双折射切趾结构图 式( 2 1 4 ) 可得出新的双折射率分布 面k z ) ，而它在波导横截面上的平均值翻由下式给出： 8 n - 墼掣嬖李娶丝 弦， 蕊瓦i 阿 心1 1 6 天津大学硕士学位论文 第二章 其中，s 。( t z ) 和g 。( x ，z ) 分别是t e 模和t m 模的光场分布，这可以利用b p m 法得出。由于每对电极之间的电场是近似平行的，所以电极之间的面。可以 看作是均匀的。这样我们得到了沿光波导新的双折射率分布，如图2 1 2 所 示。上半部分实线对应反向电压，下半部分虚线对应正向电压。当电极l 和 2 上旖加的电压分别为土1 2 0 v 和1 5 0 v 时，对于 = 1 5 2 3 a n 的光波， , s n 。= - t - o 0 0 0 0 6 ，8 n 2 = - t - o 0 0 0 0 8 。确定了双折射率分布以后，就可以求解耦 合模方程获得新的点扩散函数曲线。 图2 1 2 双折射率沿光波导的分布 根据图2 1 2 所示，熬个声光作用区分成了5 个部分，每个小区内翻是 常数，代入( 1 2 1 1 ) 式，计算所得的点扩散函数曲线如图2 1 3 和2 1 4 所 示。图2 1 3 和2 1 4 中的实线分别对应于施加正向电压和反向电压，中心 波长左侧和右侧的侧瓣分别得到了抑制。如果将这样的两个器件级联，那么 中心波长两侧的侧瓣都被抑制，理论计算表明，两级级联的滤波器的侧瓣抑 制达到了一2 5 d b 。 图2 ，1 3 施加正向电压后a o t f 光 谱仪的点扩散函数曲线 ( 实线：理论值；虚线：实验值) 1 7 图2 1 4 施加反向电压后a o t f 光 谱仪的点扩散函数曲线 ( 实线：理论值；虚线：实验值) 广 一 。厶 一 (日口一c9墨毛nc!一 fbpjc9lb 天津大学硕士学位论文 第二章 根据理论计算，我们对采用 电光双折射切趾的单级滤波器 的性能进行了测试。测试装置如 图2 1 5 所示。波长为 1 5 2 3 a n 的氦氖激光经过g 1 a n 棱镜产生平面偏振光，用4 0 x 物镜耦合入滤波器，输出光波用 图215电光双折射切趾实验装置 p i n 探测器接收。用h p 8 6 5 6 a 型高 频信号发生器产生高频正弦波，经高频功率放大器放大后输出到已经达到阻 抗匹配的叉指换能器上。然后，加上直流电压。首先施加低电压，随后逐渐 升高，可以发现侧的旁瓣会相应的降低，而另一侧的旁瓣相应的抬高。这 与理论计算的结果符合。当电极1 和2 上分别施加1 2 0 v 和1 5 0 v 电压，滤波 器的透过率曲线如图2 1 3 虚线所示。中心波长左侧的一级旁瓣达到了 - 1 7 d b 。改变电压方向，透过率盐线如图2 1 4 虚线所示，中心波长右侧的一 级旁瓣达到了一1 4 d b 。而且，我们发现旖加电场对滤波器的驱动功率和半波 带宽几乎没有什么影响。实验结果接近理论预测，但还存在一些差异。引起 实验结果与理论值不一致的因素主要有： 1 电场的不均匀和边缘电场的影响 我们用有限元法计算了电极附近的电场分布，发现在电极间区域内的部 分电场并不完全垂直于光波导，以及电极间区域以外的电场对于双折射切趾 的效果产生影响。 2 光波导制作上的缺陷 在光波导制作时，钛条的厚度、宽度的不均匀性等原因都会造成沿光波 导方向上双折射率的改变，同样会对切趾的效果产生影响。 3 温度分布的影响【2 2 1 在光波传播方向上温度成抛物线状的平方律分布，造成器件两端折射率 比中心低，形成温度梯度。 第二节权重耦合切趾 利用权重耦台技术切趾2 3 】1 2 6 1 就是通过改变耦合系数来抑制侧瓣，转换特 性可以近似的由耦合强度的付立叶变换的平方取得。如果耦合强度在声光相 互作用长度内是渐变的，并且在器件的两端是平滑地开始和结束，这样就能 够实现权重耦合切趾。采用声指向耦合器1 2 5 1 1 2 6 1 是最常用的实现权重耦合切趾 天津大学硕士学位论文第二章 的方法。 1 理论模型 可以采用类似于求解条形光波导的方法求解声波导。在l i n b 嵋晶体中， 声表面波( s a w ) 可由下列参数描述：强度( 相位) 、三个晶轴方向上的拉伸 及电势。对于x 切y 传l i n b 0 3 晶体，s a w 在x 轴方向上的振幅分布起决定作 用，因此可以在一维条件下采用速度分布来求解s a w 。卢波导结构的横向波 方程可以近似的表示成： ( 参_ 2 a d o ) 2 寿一南) ) ) - 。 ( 2 2 1 ) 式中”，( 功是沿晶体x 方向第m 阶模的横向振幅分布，v 。是它的有效传播 速度，工是声波频率，v ( x ) 是沿声波导结构的速度分布，如果假设”。( x ) 及其 一阶导数在边界连续，该方程就能轻易解出。 2 条型声波导 条型声波导的结构与条形光波导相似。假设总的波导宽度w ：+ ，令： 脚列专一专 v jv 。 畔础古一旁1 v ：。v ： ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 式中。为s a w 的频率，v 。和v z 分别代表非扩t i 区和扩t i 区的s a w 速度。则 v 。一t 可由下列超越方程解出 t a l l ( 彤+ ) ) ：生( 2 2 4 ) ( 1 - 矿q 2 ) 图2 2 1 给出的是声波零阶模和一阶模在不同声波导宽度下的速度。可以看 出，当波导宽度小于1 3 0 ，肼时，声波导只存在单模传播，在更宽的情况下则 产生商阶模。 w l c l l l p m ) 图2 2 1 不同宽度的声波导中s a w 模速度 天津大学硕士学位论文第二章 3 恒定间隙声指向藕合器 恒定间隙声指向耦合器是由两条相邻的平行声波导组成，中间有t i 扩散 区域构成的间隙，如图2 2 2 所示。应用上述的理论模型，这种声指向耦合 器等效于五层的平板波导，如图2 2 3 所示。首先求解五层声波导的有效速 度v e i l 以及声波场分布u ( x ) 。 ( 1 ) 偶模 偶模声表面波的模速度v e ：| f f , o 满足下面的方程 幻e x p ( 掣) t 趴( 枷) = 万l 丁 ( 2 2 5 ) h 2c o s h ( 掣) 一9 2s i n h ( 一譬) ( 2 ) 奇模 奇模声表面波的模速度v 西l 满足下面的超越方程： h q e x p ( 掣) 螂卜磊鬲菊 q 2 6 两式中的h 、q 均由式( 2 2 2 ) 和( 2 2 3 ) 确定。 j 一- ：。 ：。| i 。：、 ，v - i i _ t 1 i 图2 2 2 恒定间隙声指向耦合器图2 2 3 五层声波导结构示意图 由于偶模和奇模之间的相互干涉，产生耦合作用。耦合长度l c 定义为声 波功率从一条声波导完全耦合到相邻声波导的长度，它可以由两模式之间的 相对相移o 等于的整数倍求得，即： 三。：士( 业) ( 2 2 7 ) 2 ，”矾l 一”旷，o 图2 2 4 给出了声表面波在这种恒定间隙指向耦合器中的场分布，其中，器 件长度l = 2 l 。进一步分析可得：耦合长度与间隙宽度g 之间成指数关系，既： l 。= l 。唧( 曙) ( 2 2 8 ) 这里，k 和y 是波导结构参数。 2 0 天津大学硕士学位论文第二章 图2 2 4 恒定问隙声指向耦图2 2 5 楔形声指向耦合器 合器中声波场分布 4 楔型声指向耦合器 楔型声指向耦合器是指声波导之间的间隙是渐变的，如图2 2 5 所示，这 种耦合器的性质也决定于奇、偶模之间的干涉。但是此时，这些模场的速度 和场分布与传播方向z 的函数关系变得更为复杂了。采用分析渐变光波导指 向耦合器的方法来分析声表面波两模式之间的相位差，可以得到： 2 i s 2 引南一去冲 q 2 式中积分是沿楔型结构进行的。更精确的积分是沿s ( z ) 方向。s ( z ) 是由 同一z 坐标下两声波导的中点决定的。因此 一肼纵去一去，j + 筝2 出( 2 2 1 0 ， l 为总耦合长度，起点为一l 2 。 如果只有波导间隙发生变化，而波导宽度不变，可以将( 2 2 8 ) 式代入， 上式化为： = 专，：e x 一( 搐( z + ( 芝2 出 “0 - 式中，g ( z ) 是描述间隙变化的函数。由于指向耦合器的几何参数变 惴枞，i 刮叫，可以忽略计算得出的声波场分布如下图所示。 图2 2 6楔形声指向耦合器场分布 2 1 天津大学硕士学位论文第二章 采