CN107797314B - 一种基于声光作用的全光纤光学移频器及其移频方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声光作用的全光纤光学移频器及其移频方法。本发明采用在单模光纤的包层上制备两段直径变小的声光作用区，二者之间为间隔区，超声角锥的锥顶粘接在间隔区；射频信号发生器发出电信号，超声换能器将电信号转化为声信号，经超声角锥放大后传输至单模光纤；当入射光满足相位匹配条件时，伴随着单模光纤中模式的转变，同时产生移频光，并且频移的频率为所加声波频率的两倍；本发明中降低了实际操作中对超声角锥与单模光纤粘接工艺的要求；使用单个超声角锥成功的降低了成本；更重要的是，采用单个超声角锥，降低了插损，便于封装，有利于应用；本发明同时具有频移量可调、信噪比可调、可以直接应用于光纤通路的优点。

Description

一种基于声光作用的全光纤光学移频器及其移频方法

技术领域

本发明属于光信息处理领域，具体涉及一种基于声光作用的全光纤光学移频器及其移频方法。

背景技术

光外差探测是光相干探测中的一种重要方式。它把不同频率的激光相干叠加形成拍频，通过对拍频信号的相位解调实现对目标的探测。特点是把频率极高的光频率转化为探测器可响应的中频频率。应用过程的关键技术包括对微弱信号的探测、拍频解调技术以及激光光源稳频技术等。相比于零差探测，光外差探测具有更高的灵敏度、精确度及抗低频噪声的干扰能力强等优点，因此已被广泛应用于激光通信、外差光谱、激光陀螺仪以及激光雷达等领域。另外光外差探测还可应用于微振动的精密探测及单个病毒及纳米粒子的探测等领域。

光学移频器是光外差探测装置中非常重要的元件，它提供了外差探测作为“尺子”的基准，光频移的稳定性和精确度极大地影响外差探测系统的准确度。光学移频器通常基于声光晶体的拉曼纳斯衍射，这种体声光调制器具有体积大、驱动功率高、热稳定性不佳、空间对准影响精确度及复色外差实现困难等缺点。光纤移频器可以解决这些问题，但是一般的光纤移频基于双模光纤，与现有光纤处理系统并不兼容。在单模光纤中，基于声光可调谐滤波器和锥形光纤搭建的上下话路耦合器，此结构在干涉光路中起到分光作用的同时，还可以作为声光可调谐移频器使用。体积庞大是该方案的一个明显缺点。除此之外，还有一个致命的缺陷，那就是耦合区域属于软连接，导致该装置无法走出实验室，进入应用。2016年，南开大学的常朋发等人提出了基于级联的声光可调谐滤波器搭建的全光纤可调谐超低移频器的方案。该套系统可以实现1Hz到100Hz的移频，具有体积小、驱动频率和功率低等优点，但是该套装置的插损较大，也不能进入应用，并且驱动的过程需要两个级连角锥，需要双倍的驱动，增加了使用成本。

总而言之，光学移频器虽然有着重要的应用，但是目前全光纤的移频器仍然无法实际应用。低驱动功率的全光纤单模光纤移频器是发展的趋势。

发明内容

基于以上现有技术中存在的问题，本发明经过长期的研究，提出了一种基于声光作用的全光纤光学移频器及其移频方法。

本发明的一个目的在于提出一种基于声光作用的全光纤光学移频器。

本发明的基于声光作用的全光纤光学移频器包括：吸声衬底、超声换能器、射频信号发生器、超声角锥和单模光纤；其中，单模光纤被去掉了最外层的涂覆层，只保留中间的纤芯以及包裹纤芯的包层；通过刻蚀或拉锥，使得单模光纤的包层具有两段直径变细的区域，分别为第一声光作用区和第二声光作用区，在二者之间包层直径不变的区域为间隔区，在每一段声光作用区的两端包层的直径逐渐变化的区域为缓冲区；第一和第二声光作用区的直径与超声换能器的共振频率相匹配，射频信号发生器的工作频率在超声换能器的共振频率附近；在吸声衬底上设置超声换能器；超声换能器连接至射频信号发生器；在超声换能器上设置超声角锥；超声角锥的顶部连接单模光纤的间隔区的外壁；第一声光作用区和第二声光作用区分别位于超声角锥的顶部的左右两侧；单模光纤的左端为输入端口，右端为输出端口；射频信号发生器发出电信号至超声换能器；超声换能器将电信号转换为超声波，吸声衬底保证超声波单向传输至超声角锥；超声角锥将超声波放大后传输入至单模光纤的间隔区，并分别向左右两边传播至第一声光作用区和第二声光作用区；入射光从单模光纤的输入端口入射，并且以纤芯基模即LP₀₁模的形式在单模光纤中稳定传输，当入射光满足相位匹配条件时，在第一段声光作用区，在超声波的作用下，纤芯基模就会被耦合到同向传输的包层模即LP₁₁模中，此时声光效应是由向左传输的行波引起的，因而到达间隔区的光相对于入射光会产生上频移；光经过间隔区，传输到第二声光作用区时，由于声光效应是由向右传输的行波引起的，在超声波的作用下，此时包层模耦合到纤芯基模，因而最终从出射端口射出的出射光相对于入射光会产生上频移，并且频移的频率为所加声波频率的两倍。

吸声衬底通常采用钢板或者铜等金属，其形状比较单一，主要是圆柱形和方形等，可以保证超声波能够最大限度的从超声换能器的前表面发射，从而提高超声换能器的前向发射效率。

超声换能器使用的压电材料选择有很多种，比如铌酸锂晶体等，但压电陶瓷是目前使用最为广泛的压电材料。

入射光满足相位匹配条件：

L_B＝Λ

其中，L_B＝2π/(β₀₁-β_1μ)为LP₀₁模和LP_1μ模对应的拍长，为超声波的波长，也就是超声波在光纤中形成的周期性折射率调制的周期，β₀₁＝2πn₀₁/λ和β_1μ＝2πn_1μ/λ分别为LP₀₁模和LP_1μ模的传播常数，n₀₁和n_1μ分别为LP₀₁模和LP_1μ模的有效折射率，R为声光作用区的直径，C_ext为超声波在单模光纤中的传播速度，f为所加载超声波的频率。

单模光纤中，第一和第二声光作用区的直径与超声换能器的共振频率相匹配，满足L_B＝Λ。第一声光作用区的长度L₁和第二声光作用区的长度L₂相等，且满足5cm≤L₁＝L₂≤8cm；为了减小包层模的损耗，间隔区的长度L₃尽量短，L₃≤4cm。缓冲区的具体设计应该满足包层模传输的绝热近似条件。

本发明的另一个目的在于提供一种基于声光作用的全光纤光学移频器的移频方法。

本发明的基于声光作用的全光纤光学移频器的移频方法，包括以下步骤：

1)将单模光纤去掉最外层的涂覆层，只保留中间的纤芯以及包裹纤芯的包层；

2)通过刻蚀或拉锥，在单模光纤的包层制备两段直径变细的区域，分别为第一声光作用区和第二声光作用区，在二者之间包层直径不变的区域为间隔区，在每一段声光作用区的两端包层的直径逐渐变化的区域为缓冲区；

3)在吸声衬底上设置超声换能器，超声换能器连接至射频信号发生器，在超声换能器上设置超声角锥，将超声角锥的顶部粘接至单模光纤的间隔区的外壁；

4)射频信号发生器发出电信号至超声换能器；

5)超声换能器将电信号转换为超声波，吸声衬底保证超声波单向传输至超声角锥；

6)超声角锥将超声波放大后传输入至单模光纤的间隔区，并分别向左右两边传播至第一声光作用区和第二声光作用区；

7)入射光从单模光纤的输入端口入射，并且以纤芯基模即LP₀₁模的形式在单模光纤中稳定传输，当入射光满足相位匹配条件时，在第一段声光作用区，在超声波的作用下，纤芯基模就会被耦合到同向传输的包层模即LP₁₁模中，此时声光效应是由向左传输的行波引起的，因而到达间隔区的光相对于入射光会产生上频移；

8)光经过间隔区，传输到第二声光作用区时，由于声光效应是由向右传输的行波引起的，在超声波的作用下，此时包层模耦合到纤芯基模，因而最终从出射端口射出的出射光相对于入射光会产生上频移，并且频移的频率为所加声波频率的两倍。

本发明的优点：

本发明采用在单模光纤的包层上制备两段直径变小的声光作用区，二者之间为间隔区，超声角锥的锥顶粘接在间隔区；射频信号发生器发出电信号，超声换能器将电信号转化为超声波，经超声角锥放大后传输至单模光纤；当入射光满足相位匹配条件时，伴随着单模光纤中模式的转变，同时产生移频光，并且频移的频率为所加声波频率的两倍；本发明解决了现有基于声光可调谐滤波器和锥形光纤搭建的上下话路耦合器作为移频器时，耦合区域连接不稳定、不易封装以及现有基于双模光纤声光移频器难与现有光纤处理系统兼容的问题；本发明中使用单个超声角锥驱动单根单模光纤，降低了实际操作中对超声角锥与单模光纤粘接工艺的要求；在小尺度加工中，使用单个超声角锥成功的降低了成本；更重要的是，采用单个超声角锥，降低了插损，便于封装，有利于应用；本发明同时具有频移量可调、信噪比可调、可以直接应用于光纤通路的优点。

附图说明

图1为本发明的基于声光作用的全光纤光学移频器的一个实施例的示意图；

图2为本发明的基于声光作用的全光纤光学移频器的一个实施例得到的透射谱图；

图3为本发明的基于声光作用的全光纤光学移频器的一个实施例得到的拍频结果图；

图4为本发明的基于声光作用的全光纤光学移频器的一个实施例的拍频结果进行快速傅里叶变换得到的频谱分布图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的基于声光作用的全光纤光学移频器包括：吸声衬底1、超声换能器2、射频信号发生器4、超声角锥3和单模光纤5；其中，单模光纤5被去掉了最外层的涂覆层，只保留中间的纤芯以及包裹纤芯的包层；通过刻蚀，使得单模光纤的包层具有两段直径变细的区域，分别为第一声光作用区和第二声光作用区，在二者之间包层直径不变的区域为间隔区，在每一段声光作用区的两端包层的直径逐渐变化的区域为缓冲区；第一和第二声光作用区的直径与超声换能器的共振频率相匹配，射频信号发生器的工作频率在超声换能器的共振频率附近；在吸声衬底1上设置超声换能器2；超声换能器2连接至射频信号发生器4；在超声换能器2上设置超声角锥3；超声角锥的顶部连接单模光纤5的间隔区的外壁；第一声光作用区和第二声光作用区分别位于超声角锥的顶部的左右两侧；单模光纤的左端为输入端口6，右端为输出端口7。

在本实施例中，吸声衬底1采用钢板；超声角锥3的材料为铝，超声换能器2采用压电陶瓷，谐振频率为1MHz；单模光纤5采用G.652.D单模光纤，经过氢氟酸刻蚀得到的第一声光作用区和第二声光作用区，二者之间的间隔区的长度为3.1cm，第一声光作用区和第二声光作用区分别为7.5cm，声光作用区的直径为29μm。C_ext＝5760m/s为超声波在二氧化硅材料中的传播速度。

在宽带光源输入的情况下，通过调节应力以及偏振等条件，当射频信号发生器4的频率为0.958MHz，功率为19.99dBm时，在OSA上得到类似马赫曾德干涉的图谱，如图2所示。显而易见，在1551.8nm波长处，转化效率取最大值。

调节激光器的输出波长为1551.8nm，射频信号发生器4输出频率为0.958MHz，功率为19.99dBm。通过单模光纤的光与另一路中频率未发生改变的光耦合后会产生拍频，再经过光电探测器转化为电信号在示波器上形成拍频，如图3所示，且拍频经过FFT得到频谱结果如图4所示，经验证可知，其频率大小正好等于所加声波频率的两倍，且相对于高次谐波而言，信噪比SNR＝31.2dB。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种基于声光作用的全光纤光学移频器，其特征在于，所述全光纤光学移频器包括：吸声衬底、超声换能器、射频信号发生器、超声角锥和单模光纤；其中，所述单模光纤被去掉了最外层的涂覆层，只保留中间的纤芯以及包裹纤芯的包层；通过刻蚀或拉锥，使得单模光纤的包层具有两段直径变细的区域，分别为第一声光作用区和第二声光作用区，在二者之间包层直径不变的区域为间隔区，在每一段声光作用区的两端包层的直径逐渐变化的区域为缓冲区；所述第一和第二声光作用区的直径与超声换能器的共振频率相匹配，射频信号发生器的工作频率在超声换能器的共振频率附近；在吸声衬底上设置超声换能器；所述超声换能器连接至射频信号发生器；在超声换能器上设置超声角锥；所述超声角锥的顶部连接单模光纤的间隔区的外壁；所述第一声光作用区和第二声光作用区分别位于超声角锥的顶部的左右两侧；所述单模光纤的左端为输入端口，右端为输出端口；射频信号发生器发出电信号至超声换能器；超声换能器将电信号转换为超声波，吸声衬底保证超声波单向传输至超声角锥；超声角锥将超声波放大后传输入至单模光纤的间隔区，并分别向左右两边传播至第一声光作用区和第二声光作用区；入射光从单模光纤的输入端口入射，并且以纤芯基模即LP₀₁模的形式在单模光纤中稳定传输，当入射光满足相位匹配条件时，在第一段声光作用区，在超声波的作用下，纤芯基模就会被耦合到同向传输的包层模即LP₁₁模中，此时声光效应是由向左传输的行波引起的，因而到达间隔区的光相对于入射光会产生上频移；光经过间隔区，传输到第二声光作用区时，由于声光效应是由向右传输的行波引起的，在超声波的作用下，此时包层模耦合到纤芯基模，因而最终从出射端口射出的出射光相对于入射光会产生上频移，并且频移的频率为所加声波频率的两倍。

2.如权利要求1所述的全光纤光学移频器，其特征在于，所述吸声衬底采用金属，从而保证超声波能够最大限度的从超声换能器的前表面发射。

3.如权利要求1所述的全光纤光学移频器，其特征在于，所述超声换能器使用的压电材料。

4.如权利要求1所述的全光纤光学移频器，其特征在于，所述入射光满足相位匹配条件：

L_B＝Λ

其中，L_B＝2π/(β₀₁-β_1μ)为LP₀₁模和LP_1μ模对应的拍长，为超声波的波长，也就是超声波在光纤中形成的周期性折射率调制的周期，β₀₁＝2πn₀₁/λ和β_1μ＝2πn_1μ/λ分别为LP₀₁模和LP_1μ模的传播常数，n₀₁和n_1μ分别为LP₀₁模和LP_1μ模的有效折射率，R为声光作用区的直径，C_ext为超声波在单模光纤中的传播速度，f为所加载超声波的频率。

5.如权利要求1所述的全光纤光学移频器，其特征在于，所述单模光纤中，第一和第二声光作用区的直径与超声换能器的共振频率相匹配。

6.如权利要求1所述的全光纤光学移频器，其特征在于，所述第一声光作用区的长度L₁和第二声光作用区的长度L₂相等，且满足5cm≤L₁＝L₂≤8cm。

7.如权利要求1所述的全光纤光学移频器，其特征在于，所述间隔区的长度L₃≤4cm。

8.如权利要求1所述的全光纤光学移频器，其特征在于，所述缓冲区满足包层模传输的绝热近似条件。

9.一种基于声光作用的全光纤光学移频器的移频方法，其特征在于，所述移频方法包括以下步骤：

1)将单模光纤去掉最外层的涂覆层，只保留中间的纤芯以及包裹纤芯的包层；

2)通过刻蚀或拉锥，在单模光纤的包层制备两段直径变细的区域，分别为第一声光作用区和第二声光作用区，在二者之间包层直径不变的区域为间隔区，在每一段声光作用区的两端包层的直径逐渐变化的区域为缓冲区；

3)在吸声衬底上设置超声换能器，超声换能器连接至射频信号发生器，在超声换能器上设置超声角锥，将超声角锥的顶部粘接至单模光纤的间隔区的外壁；

4)射频信号发生器发出电信号至超声换能器；

5)超声换能器将电信号转换为超声波，吸声衬底保证超声波单向传输至超声角锥；

6)超声角锥将超声波放大后传输入至单模光纤的间隔区，并分别向左右两边传播至第一声光作用区和第二声光作用区；

7)入射光从单模光纤的输入端口入射，并且以纤芯基模即LP₀₁模的形式在单模光纤中稳定传输，当入射光满足相位匹配条件时，在第一段声光作用区，在超声波的作用下，纤芯基模就会被耦合到同向传输的包层模即LP₁₁模中，此时声光效应是由向左传输的行波引起的，因而到达间隔区的光相对于入射光会产生上频移；

8)光经过间隔区，传输到第二声光作用区时，由于声光效应是由向右传输的行波引起的，在超声波的作用下，此时包层模耦合到纤芯基模，因而最终从出射端口射出的出射光相对于入射光会产生上频移，并且频移的频率为所加声波频率的两倍。