CN103728745A - 反常大带宽声光偏转器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种反常大带宽声光偏转器，在底座内安装有声光介质，在声光介质的通声面上依次设有下电极层、键合层和上电极层，在上电极层上设置有换能器，该换能器上安装有第一表电极和第二表电极。所述声光介质为磷化镓晶体，声光介质通声面方向与磷化镓晶体[001]轴的夹角β小于5°，光轴与入光面垂直；换能器材料为激发横波的X切型的铌酸锂晶体，换能器厚度为1.4微米-1.6微米；所述声光介质的入光面和出光面之间具有修正夹角θ，该修正夹角θ在工作频范围内使衍射光绕光轴对称。本发明增大了衍射光扫描角度，提高了衍射效率，大幅减小信号处理系统的体积。

Description

反常大带宽声光偏转器
技术领域
本发明涉及声光偏转器结构改进，尤其是用于信号处理的大带宽声光偏转器，属于光学器件技术领域。
背景技术
大带宽声光偏转器已经广泛应用于信号处理系统，如声光信道化接收机中，是信号处理系统中的关键部件，它能迅速地把电信号加载到衍射光上，衍射光的角度与电信号的频率大小成正比。电信号的频率越高，衍射光的角度越大。电信号越强，衍射光的强度越大。常用的大带宽声光偏转器（带宽大于500MHz）都是采用纵波设计的，原因是纵波型声光偏转器的换能器厚度较大，制作难度低，但是，纵波型声光偏转器声速高，衍射光角度小，难以满足一些高性能信号处理系统的需求。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种增大衍射光扫描角度、提高衍射效率的反常大带宽声光偏转器。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
反常大带宽声光偏转器，包括底座，在底座内安装有声光介质，声光介质具有入光面、通声面、出光面和吸声面，在声光介质的通声面上依次设有下电极层、键合层和上电极层，在上电极层上设置有换能器，该换能器上安装有相互独立的第一表电极和第二表电极，所述第一表电极与底座在电性能上导通，所述第二表电极与匹配网络电连接，匹配网络与位于底座上的高频插座连接；其特征在于：所述声光介质为磷化镓晶体，声光介质通声面方向与磷化镓晶体 [001]轴的夹角β小于5°，光轴与入光面垂直；换能器材料为激发横波的X切型的铌酸锂晶体，换能器厚度为1.4微米-1.6微米；优选1.5微米；所述声光介质的入光面和出光面之间具有修正夹角θ，该修正夹角θ在工作频范围内使衍射光绕光轴对称。
所述修正夹角θ为4.2-8.2°，优选5.7°。
所述下电极层和上电极层均为铬层，键合层为金层，铬层厚度为200-400纳米，优选300钠米；金层厚度为0.7微米-0.9微米；优选0.8微米。
所述第一表电极和第二表电极之间的间隔为5微米-15微米；优选10微米。
所述声光介质的吸声面经过了毛化处理，其粗糙度Ra大于0.1。
相比现有技术，本发明的积极效果在于：
1、声光介质采用磷化镓晶体，声光介质通声面方向与磷化镓晶体 [001]轴的夹角β小于5°，在通声面上安装了激发横波的X切铌酸锂换能器，这样在声光介质内的入射光就能与超声横波发生反常声光互作用产生衍射光。由于在磷化镓晶体内沿[001] 方向传播横波声速为4130m/s，比纵波6300m/s 低了近1/3，这样衍射光的扫描角度就能增加近1/3，将信号处理系统的光路缩短近1/3，进而大幅减小信号处理系统的体积。
2、磷化镓晶体横波的声波衰减系数为2.80 dB/（μs×GHz2），比纵波的声波衰减系数3.80 dB/（μs×GHz2）小了近1/4，这样在同等条件下可以将工作频率和带宽提高近1/4。
3、对于同样的工作频率，激发横波的铌酸锂换能器的厚度只有纵波的2/3，但本发明换能器厚度为1.5微米左右，这种厚度的换能器可成功地将1GHz—2.1GHz的电信号转化为了超声横波，为制作宽带声光偏转器创造了必要条件。
4、由于在换能器上镀制了相互独立的两片表电极，并精确设计了表电极的间隔，这样很好地兼顾了声波发散角与声光互作用长度之间的矛盾，使入射光在很宽的频率范围内（1.1GHz—2.1GHz）与超声横波发生反常声光互作用产生衍射光，实现了带宽大于800MHz的宽带声光偏转器。采用反常声光互作用得到的衍射光的偏振态与入射光相比相差90°，这样信号处理系统就能利用检偏器滤除入射光带来的干扰，提高信号处理系统的信噪比。
5、由于在键合层中采用了纯金(常用材料是纯锡)，因而将高频范围内（1GHz—2.1GHz）的衍射效率提高了近50%。
附图说明
图1-本发明结构示意图。
其中：1-入光面；2-声光介质；3-电极层；4-键合层；5-电极层；6-第一表电极；7-高频插座；8-匹配网络；9-第二表电极；10-换能器；11-通声面；12-超声波；13-出光面；14-底座；15-吸声面。 
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明反常大带宽声光偏转器，包括底座14，该底座14内安装有声光介质2，该声光介质2包括有入光面1、通声面11、出光面13和吸声面15，光轴与入光面1的夹角为90°，即垂直。在通声面11上依次安装有下电极层3、键合层4、上电极层5和换能器10，在换能器10上设置有互相独立的第一表电极6和第二表电极9。第一表电极6与所述底座14电导通（作为地线），高频插座7安装在所述底座14上，匹配网络8分别连接位于所述底座14上的高频插座7和第二表电极9。
所述声光介质2为磷化镓晶体，声光介质通声面11的方向与磷化镓晶体 [001]轴的夹角β小于5°，光轴与入光面1垂直。换能器10材料为激发横波的X切型的铌酸锂晶体，换能器10厚度为1.4微米-1.6微米；优选1.5微米。
本发明出光面13与入光面1之间的夹角为θ，所述夹角θ为4.2-8.2°，优选5.7°。通过夹角θ的修正，使声光偏转器中心频率的衍射光方向沿光轴方向，高低频率的衍射光方向就分布在光轴的左右两边，即使衍射光绕光轴对称。
下电极层3、键合层4和上电极层5统称焊接层，依次为铬层、金层和铬层，铬层厚度为200-400纳米，优选300钠米；金层厚度为0.7微米-0.9微米；优选0.8微米。这样设计是为了使换能器10产生的超声波顺利传输到声光介质2内，以提高衍射效率。实验表明，由于在焊接层中采用了纯金(常用材料是纯锡)，成功地将高频范围内（1.1GHz—2.1GHz）的衍射效率提高了近50%。 
第一表电极6和第二表电极9之间的间隔很小，间隔为5微米-15微米；优选10微米，这样换能器10激发的超声波12发散角较大，以提高工作带宽。
工作时，射频信号从高频插座7输入，经匹配网络8依次传输到第二表电极9上，换能器10吸声射频信号并产生超声波12，穿过声光介质2的入射光与超声波12发生反常声光互作用，产生衍射光。由于出光面13与入光面1有一个修正夹角θ，在工作频范围内（1.1GHz—2.1GHz）使衍射光绕光轴对称，这样便于信号处理系统调整光路。
声光介质2是用磷化镓晶体做的，声光介质通声面方向与磷化镓晶体 [001]轴的夹角β小于5°，换能器10是用X切铌酸锂做的，这样换能器10吸声射频信号并产生超声波12为横波，入射光与超声横波发生了反常声光互作用，得到的衍射光的偏振态与入射光相比相差90°（比如当入射光的偏振态为水平偏振时，衍射光的偏振态就为垂直偏振），这样信号处理系统就能利用检偏器滤除入射光带来的干扰，提高信号处理系统的信噪比。
由于在磷化镓晶体内沿[001] 方向传播横波声速为4130m/s，比纵波6300m/s 低了近1/3，这样衍射光的扫描角度就能增加近1/3，将信号处理系统的光路缩短近1/3，进而大幅减小信号处理系统的体积。
磷化镓晶体横波的声波衰减系数为2.80 dB/（μs×GHz2），比纵波的声波衰减系数3.80 dB/（μs×GHz2）小了近1/4，这样在同等条件下可以将工作频率和带宽提高近1/4。
对于同样的工作频率，激发横波的铌酸锂换能器的厚度只有纵波的2/3，但是本发明将换能器10厚度加工为（1.4微米-1.6微米），这种厚度的换能器10成功地将1.1GHz—2.1GHz的电信号转化为了超声横波，为制作反常宽带声光偏转器创造了必要条件。
由于在换能器10上镀制了相互独立的第一表电极6和第二表电极9，并精确设计了表电极的间隔，这样极大地提高了超声波12的发散角，使入射光在很宽的频率范围内（1.1GHz—2.1GHz）与超声波12发生反常声光互作用产生衍射光，实现了带宽1000MHz的宽带声光偏转器。
声光介质2的吸声面15经过了毛化处理，其粗糙度Ra大于0.1，有效避免了声波反射引起的驻波效应。
为了提高大带宽声光偏转器衍射光的扫描角度，本发明利用磷化镓晶体，采用反常互作用设计，利用横波声速低的特点，不仅增大衍射光扫描角度和工作带宽，还提高了衍射效率。为了使用方便，本发明还在声光偏转器的出射面上设计了一个修正角，使衍射光扫描的角度绕光轴对称。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.反常大带宽声光偏转器，包括底座，在底座内安装有声光介质，声光介质具有入光面、通声面、出光面和吸声面，在声光介质的通声面上依次设有下电极层、键合层和上电极层，在上电极层上设置有换能器，该换能器上安装有相互独立的第一表电极和第二表电极，所述第一表电极与底座在电性能上导通，所述第二表电极与匹配网络电连接，匹配网络与位于底座上的高频插座连接；其特征在于：所述声光介质为磷化镓晶体，声光介质通声面方向与磷化镓晶体 [001]轴的夹角β小于5°，光轴与入光面垂直；换能器材料为激发横波的X切型的铌酸锂晶体，换能器厚度为1.4微米-1.6微米；所述声光介质的入光面和出光面之间具有修正夹角θ，该修正夹角θ在工作频范围内使衍射光绕光轴对称。
2.根据权利要求1所述的反常大带宽声光偏转器，其特征在于：所述修正夹角θ为4.2-8.2°。
3.根据权利要求1所述的反常大带宽声光偏转器，其特征在于：所述下电极层和上电极层均为铬层，键合层为金层，铬层厚度为200-400纳米；金层厚度为0.7微米-0.9微米。
4.根据权利要求1所述的反常大带宽声光偏转器，其特征在于：所述第一表电极和第二表电极之间的间隔为5微米-15微米。
5.根据权利要求1所述的反常大带宽声光偏转器，其特征在于：所述声光介质的吸声面经过了毛化处理，其粗糙度Ra大于0.1。
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