第十九讲光纤中的声光模式转换

1、第十九讲第十九讲 光纤中的声光模式转换光纤中的声光模式转换 Acousto-Optic Tunable Filters (AOTF) 光纤声光模式转换原理光纤声光模式转换原理 几种几种类型的类型的光纤声光器件光纤声光器件 基于单模光纤的声光滤波器基于单模光纤的声光滤波器 利用波导色散压窄滤波带宽利用波导色散压窄滤波带宽 利用刻蚀方法实现宽带滤波利用刻蚀方法实现宽带滤波 多级串连实现动态均衡滤波器多级串连实现动态均衡滤波器 级连声光模式耦合级连声光模式耦合21400150016000.00.51.0LP14LP13LP12Transmissino (a.u.)Wavelength (nm)LP1

2、1 反对称分布的挠行波 从 LP01到反对称的LP1n 带阻型滤波特性 Acoust-optic tunable filters (AOTF) 一、光纤声光模式转换原理一、光纤声光模式转换原理+与光纤系统兼容，与光纤系统兼容，插入损耗低插入损耗低+造价低造价低+调谐范围宽调谐范围宽+功耗低功耗低+可以动态控制可以动态控制声波作用下的模式耦合声波作用下的模式耦合一、光纤声光模式转换原理一、光纤声光模式转换原理基本物理描述基本物理描述00AeidzdBBeidzdAziozio 挠行声波挠行声波等效折射率微扰（光纤光栅）等效折射率微扰（光纤光栅） 耦合模式：耦合模式：LP01LP11 （光纤光栅中

3、：（光纤光栅中： LP01LP02 ） 行波声波行波声波频移频移 相位匹配条件相位匹配条件与波长相关，动态可调与波长相关，动态可调取决于光波模场之间和声波与光波模场之间的交叠程度取决于光波模场之间和声波与光波模场之间的交叠程度 1012BL0)(sin2/1220222020L1)(121101BLK2/1fRCextdxdyyxyxnyxA),(),(),(210yunyxn020)2)(1 (),(一、光纤声光模式转换原理一、光纤声光模式转换原理耦合效率耦合效率弹光系数弹光系数相位匹配条件相位匹配条件BL光波模式之间的拍长光波模式之间的拍长声波波长声波波长或或声波模式耦合过程伴随的移频声波

4、模式耦合过程伴随的移频一、光纤声光模式转换原理一、光纤声光模式转换原理从LP01模到LP11模，声波与光波同向，下移频；从LP01模到LP11模，声波与光波反向，上移频；二、二、几种几种类型的类型的光纤声光器件光纤声光器件 采用不同类型的光纤采用不同类型的光纤 Based on Various Fibers 单模光纤单模光纤 Single Mode Fibers LP01-LP1nclad 双模光纤双模光纤 Double Mode Fibers LP01-LP11core 双折射光纤双折射光纤 Birefringent Fibers 采用熔融光纤采用熔融光纤 Based on Fused Fi

5、bers 拉锥光纤拉锥光纤 Tapered Fibers 零耦合器零耦合器 Null Couplers二、二、几种几种类型的类型的光纤声光器件光纤声光器件Tapered Fiber二、二、几种几种类型的类型的光纤声光器件光纤声光器件Null CouplerFiltering Based onDouble modefibersSingle modefibersTapered fibers Null couplersConversion modesLP01-LP11LP01-LP11cladLP01clad-LP11cladLP01clad-LP11cladOverlap betweenoptic

6、al modesLargeSmallLargeLargeOverlap betweenoptical mode andacoustic modeSmallSmallLargeLargeCoupling efficiencyMiddleSmallLargeLargeInteractive lengthrequiredLongLongShortShortFilter bandwidthNarrowNarrowWideWideType of filteringBand notch& Band passBand notchBand notchBand notch& Band pass二

7、、二、几种几种类型的类型的光纤声光器件光纤声光器件几种光纤声光器件的比较几种光纤声光器件的比较14201440146014801500152015401560158016001620-16-12-8-40LP01-LP13LP01-LP12LP01-LP11 Transmission rate (dB)Wavelength (nm)fa=2569kHz Vp-p=13.5V L=40cm T=1nm/5kHz 三、基于单模光纤的声光器件三、基于单模光纤的声光器件r ( m) n4.150.33包层匹配单模光纤包层匹配单模光纤 （MC）: Core diameter a=8.3 m Index

8、difference =0.33带阻滤波器带阻滤波器246810120.00.20.40.60.8Coupling RatioVoltage Applied on PZT (Vp-p) 1556nm L 40cm f 2.7MHz LP01 -LP13)(sin2/1220222020LdxdyyxyxnyxA),(),(),(210三、基于单模光纤的声光器件三、基于单模光纤的声光器件调制特性调制特性NLLB8 . 0BBLLN三、基于单模光纤的声光器件三、基于单模光纤的声光器件（FWHM)带宽特性带宽特性101BLN 1012BL色散参数色散参数主要取决于波导色散主要取决于波导色散NffT1

9、21483 1484 1485 1486 1487 1488 1489 1490 1491 1492 1493-15-12-9-6-303Transmission Ratio (dB)Wavelength (nm)调谐速率调谐速率可以通过调谐速率求色散参数可以通过调谐速率求色散参数MC Fiber (LP01-LP11) )(101nBLNTo lower the bandwidth: Longer the fiber length L, limited by the physical fiber length and the attenuation of the acoustic wave;

10、 Shorter the beat length LB , thus shorter , higher f, High frequency flexural wave is ineffective; Lager the dispersion N, 01 and 1n have nearly material dispersion, so the waveguide dispersion is the main factor that affects the value of N. 三、基于单模光纤的声光器件三、基于单模光纤的声光器件利用波导色散压窄滤波带宽利用波导色散压窄滤波带宽NLLB8 .

11、 0r(m)0.00384-0.015r(m)0.031.4480.002三、基于单模光纤的声光器件三、基于单模光纤的声光器件15881589159015911592159315941595159615971598-15-12-9-6-303Transmission (dB)Wavelength (nm)14831484148514861487148814891490149114921493-15-12-9-6-303Transmission (dB)Wavelength (nm)MC Fiber (LP01-LP11) Acoustic Frequency f=2577kHz Wavelen

12、gth Tuning Rate T=0.159nm/kHz FWHM Bandwidth 1.1nm DC Fiber (LP01-LP13 )Acoustic Frequency f=1606kHz Wavelength Tuning Rate T=0.089nm/kHz FWHM Bandwidth 0.55nm020406080100120140-1.0-0.50.00.51.01.52.02.5Wavelength=1550 nm LP01-LP11 LP01-LP12 LP01-LP13Dispersion paramter NDiameter 2b (m)1200130014001

13、5001600-16-14-12-10-8-6-4-202b=21m L=2.2cmf=1.0369MHz Vpp=4.7VBW-3dB=362nmTransmission Ratio (dB)Wavelength (nm)三、基于单模光纤的声光器件三、基于单模光纤的声光器件NLLB8 . 0利用刻蚀方法实现宽带滤波利用刻蚀方法实现宽带滤波刻蚀光纤RF Signal输入光普通单模光纤声波多级串连实现动态均衡滤波器多级串连实现动态均衡滤波器三、基于单模光纤的声光器件三、基于单模光纤的声光器件三、基于单模光纤的声光器件三、基于单模光纤的声光器件动态增益均衡滤波器动态增益均衡滤波器18谐振级联模式耦

14、合谐振级联模式耦合f (MHz) Thoery： 0.644 1.035 1.644LP01LP11LP21LP02 Exp.： 0.641 1.014 1.654f1 f2 f2两个声波同时加在同一段声光作用区，两个耦两个声波同时加在同一段声光作用区，两个耦合过程的合过程的“级连级连”，不是空间上的串连。，不是空间上的串连。施加两个不同频率的声波，分别满足施加两个不同频率的声波，分别满足相位匹配条件，称为谐振级联耦合。相位匹配条件，称为谐振级联耦合。四、级联声光模式耦合四、级联声光模式耦合19非谐振级联模式耦合和简并模式耦合非谐振级联模式耦合和简并模式耦合0111111212120KK012

15、11212KK 12KK12KK 只要施加单一频率声波，如果该声波满足总体相位匹配条件，只要施加单一频率声波，如果该声波满足总体相位匹配条件，就可以得到从就可以得到从LP01 到到LP1n 以外其它高阶模式的耦合。以外其它高阶模式的耦合。12001400160050010001500LP01-LP02LP01-LP21LP01-LP03LP01-LP22LP01-LP11Frequency (kHz)Center Wavelength (nm)123456LP11四、级联声光模式耦合四、级联声光模式耦合200.00 0.25 0.50 0.00.51.0 LP01Normalized Powe

16、r (a.u)LP11 z0.0 0.5 1.0 LP11LP21 zLP01单模光纤中三种模式耦合的比较单模光纤中三种模式耦合的比较 要求的声波频率低于要求的声波频率低于f01-11 在短于在短于LP01-LP11的波长处获得滤波峰的波长处获得滤波峰Regular Resonant CascadedDegenerate CascadedMismatchingCoupling CoefficientAcoustic Frequency/(2 )L120120122/(2)L12/ L0f122fff12,ff0.0 0.5 1.0 LP11LP21 zLP01四、级联声光模式耦合四、级联声光模式耦合21可能的应用可能的应用带通声光可调滤波器带通声光可调滤波器 LP01LP11(broad)LP22(narrow)LP11