声光耦合2013-10-31.doc

张1092049458Hust_2013/12/17光纤中声波的衰减超声波属于声波，具有声波的共同物理性质，如必须通过弹性介质进行传播，传播方式为纵波，具有波的反射、入射、折射、衍射、散射和衰减等特性。 声波在均匀介质中传播时，其振幅、声强等随声源的距离的增大而减弱，这种现象称为声波的衰减。声波衰减的主要原因是由于介质对声波的吸收和介质中的粒子 (流体的悬浮粒子或固体的颗粒结构) 对声波的散射。由于声压的距离平方反比定律而降低的一般不算在衰减内。 衰减系数 (a) 是描述声波传播损失的一个物理量。它同传播的距离有关。 (1)式中：A1、I1分别是x1处的振幅与声强; A2、I2分别是x2处的振幅与声强; 衰减系数，单位常用奈培/厘米，NP/cm，1NP/cm=868.6dB/m 在长度为L的光纤中声光耦合系数的平均值： (2)那么，在波矢匹配的条件得到满足的条件下声光模式转换效率为 (3)单模光纤中声衰减系数的测量 测量出不同长度光纤上的声光模式转换效率并根据(2)式算出各长度下的平均声光耦合系数的大小, 再通过曲线拟合就可以得到声波的衰减系数。测量装置如图1所示。声光换能器( 压电陶瓷) 产生的声波经过铝锥放大后在铝锥锥尖处耦合进入一段去掉涂敷层的裸光纤。宽带光源( LED) 输出的光( 波长范围14201620nm) 进入裸光纤后与光纤中的声波发生相互作用产生模式耦合, 形成滤波特性。保持压电陶瓷上的电压和频率不变, 通过在光纤的不同位置放置声波吸收器改变实际参与作用的光纤长度, 在光谱仪上可以看到该滤波峰值高度的变化,从而测量出平均声光耦合系数随光纤长度的变化。问题：1光纤声光耦合一共有几种方式？每一种方式各有什么特点？每一种耦合方式的原理是什么？2如果让你自己构建一种光纤声光耦合系统，你需要哪些设备和材料？设置哪些参数？激光器的类型、波长、功率如何选择？选择怎样的光纤？压电材料如何选择？声光耦合系统怎样安装？3计算分析和评价一下你设计的光纤声光耦合系统（由于条件有限，我采用数值计算来分析）。1.光纤中模式耦合的原理光纤中任意两个模式间的耦合系数k，可以用这两个模式的电场空间矢量重积分来描述1:分别为发生耦合的两个模式的电场分布，D为耦合叠加积分面积。为由外界影响而而产生的折射率扰动。在光纤没有扰动时，k=0.加载声波后，光纤中折射率的分布将会受到应力的改变而发生变化，通过文献记载，目前主要有两种形式，也是声光耦合的两种形式。光纤声光耦合的方式有两种，一种是切变声波激发超声光栅，另一种是声疏密波引起超声光栅。如下图所示。A 切变声波激发超声光栅B 声疏密波引起超声光栅图3两种光纤声光耦合方式A) 切变声波激发超声光栅的模式耦合系数在双模光纤中，两个模式LP01和LP11模之间的耦合机理是在光纤中传播的切变声波会引起光纤周期性的弯曲。耦合系数k可以表示为：从图A可以看到，由于光纤受切边声波的激发产生了周期性的微弯形变。在切变声波的振动平面内存在微弯形变，而在垂直于振动平面内不存在微弯形变，即两个垂直平面内产生的扰动是不对称的，因而这种扰动的不对称性破坏了LP01和LP11模之间的正交性，产生了径向方向上的变化，即积分项中的指数项。在没有扰动时，LP01和LP11模之间的电场是正交的，其交叠积分为零，而受扰动后，交叠积分结果不为零，这就表明原本的模式LP01和LP11之间产生了耦合，发生了能量的交换。耦合系数k简化为：B) 声疏密波引起超声光栅的模式耦合系数假设声疏密波引起的折射率微扰是正弦的变化，则，可以得到，LP01和LP11模间的耦合系数k为： 并且k=0.综上所述，声切变波能够使双模光纤中的两个模式LP01和LP11模之间发生模式耦合，而声疏密波不能够使LP01和LP11模发声模式耦合。原因在于，声切变波破坏了LP01和LP11模的径向电场的正交性，从而使得两个模式能够发生耦合，而疏密波则不能破环这两个模式径向电场的正交性，也就无法使两个模式发生耦合了。2.构建一个声光耦合的系统，具备的器材：a)光源，b)单模光纤或双模光纤，c)压电陶瓷片，d)信号发生器，e)电压放大器，f)光谱仪。选材：a)光源的选择，b)光纤的选择，c)压电陶瓷片的选择，d)信号发生器的选择，e)电压放大器的选择。仪器的使用与参数的设置：光源调节，信号发生器的调节，光波长的设置，信号频率和幅值的设置平台的搭建：光源的安装，光纤的安装，压电陶瓷片的安装系统的调试与运行。实际问题，当遇到这个问题，你是怎么解决的呢？仿真计算参数：FBG的参数为：光纤光栅的长度L=1.3cm，折射率深度调制，有效折射率nm=1.4774，中心波长=1544.4nm，周期，中心波长处的功率归一化耦合系数k=2540N/s，F0=0.001。通过仿真计算，我分别计算了超声波频率为fa=0.9MHZ 、1.8MHz 、2MHz、 9MHZ 、90MHZ 、900MHZ 、1GHz、 2GHz时的光纤布拉格光栅声光调制下的反射谱。通过计算可知，超声波的频率为0.9MHz和1.8MHz时的反射谱差别很大，如图4可知。超声波频率为1.8MHz和2MHz时的反射谱没有多大差别，只是峰值有一定的差别，如图5所示。当超声波的频率大于2MHZ时，反射谱几乎不变，峰值也几乎一样，如图6、7、8、9所示。图4 Fa=0.9MHz Fa=1.8MHz比较图5 Fa=1.8MHz Fa=2MHz比较图6 Fa=9MHz图7 Fa=90MHz图8 Fa=900MHz图9 Fa=1GHz电光开关利用电光效应，即通过施加一个电场来产生材料折射率的相应变化，从而可以方便地控制光在传播中的强度、位相和传播方向。近年来半导体材料的数字型电光开关引起人们的极大关注，它是用半导体技术构造出的一种数字光开关，其输出波导由P - N结覆盖，前向偏置电流使输出波导出现载流子浓度改变，从而实现折射率的调制。由于半导体中载流子寿命的限制，开关时间一般为微秒或亚微秒。磁光开关原理是利用法拉第旋光效应，通过外加磁场的变化来改变磁光晶体对入射偏振光偏振面的作用，从而达到切换光路的作用。相对于传统的机械式开关，磁光开关具有开关速度快、稳定性高等优势，而相对于其他的非机械式光开关，它又具有驱动电压低、串扰小等有点。声光效应指声波在通过材料时，使材料产生机械应变，引起材料的折射率变化，形成周期与波长相关的B ra gg 光栅，输入光波在沿内部有声波的波导传播时，将发生散射现象。简单的说，声光开关的工作原理是利用声波来反射光波。声光开关的优点是开关速度比较快，可达纳秒量级。此外，由于没有机械活动部分，可靠性较高。缺点是插入损耗比较大，成本较高。Fa=2GHz综上所述，对于布拉格全光纤声光调制而言，提高超声波的频率提高并不影响反射谱的图像。我猜可能的原因是，当频率越高时，声波产生折射率微扰项越小，从而可以忽略掉式中此项，当频率达到GHz时，这一项的数量级在，因此几乎可以忽略不计。则可以得到：由此式可知，超声波的频率达到一定程度时，声致微扰项可以忽略不计，再通过此式得到的反射谱，声波的频率对反射谱影响很小。 猜想可能在高频超声波上，找到更好的解释，下面搜集一些关于声波的知识，介绍两类声波，并对微波超声学作简介，学习微波超声学的知识，为以后的研究作准备。参考文献1. 王胜福 许悦 1.8GHz AlN薄膜体声波谐振器的研制. 半导体技术 2012.22.肖彦萍，吴亚明 声光光纤模式耦合的分析. 上海大学学报 2000 19(4)3.刘超， 裴丽 光纤布拉格光栅型全光纤声光调制器的特性研究. 物理学报 2013 Vol. 62, No. 34.中国知网知识百科附录clearclcL=0.013;dn=0.8e-4;lam=0.52267e-6;nm=1.4774;k=2540*pi;va=1000;C=1;fa=0.9e6*1;u=8.8542e-12;ep=4*pi*1e-7;F0=0.001;lamda=va./fa;ka=2*pi./lamda;P=L/200;z=0:P:L;%f=dn*(1+cos(2*pi*repmat(z,C,1)/lam+repmat(lamda,1,L/P+1)*F0.*cos(ka*z)/lam);%plot(z,f);xlabel(z);ylabel(f(z)title(f=dn*(1+cos(2*pi*z/lam+lamda*F0*cos(ka*z)/lam);%M=400;Rr=(1545.4-1543.4)/M;wavelength=1543.4:Rr:1545.4*1e-9;vs=2*nm./wavelength;F=f*exp(-j*2*pi*z*vs)*P;H=abs(F);%hold