CN1173210C - 体波光纤声电光调制器 - Google Patents
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Abstract
体波光纤声电光调制器，属于光纤通信和光纤传感领域。其特征在于，在长方体声电光晶体的上晶面处键合电声换能器，在前后晶面上镀电光电极，在左右晶面上粘贴短焦距透镜，透镜外面分别粘贴输入光纤和输出光纤。其工作过程是，将载有待传输音频或视频信号的射频信号，加到用压电晶片制成的电声换能器上，产生强度随传输信号变化的超声波，进入声电光晶体。从输入光纤输入的激光，经透镜聚焦于晶体内，受超声波调制作用，产生强度随传输信号变化的衍射光，再经透镜聚焦从输出光纤输出到光电转换器件上进行解调。另外通过改变加在电光电极上的直流电压的大小和方向，来改变调制器的中心频率，以适应不同载频的射频调制信号，使调制器的使用更加灵活。
Description
技术领域
体波光纤声电光调制器k可用于光纤通信调制技术中，属于光纤通信和光纤传感领域。
技术背景
目前一类“体波光纤声光调制器”，这在国外有过报道。如美国里顿应用技术公司的S.S.Tarng等人报道了使用声光调制器粘接在输入和输出光纤之间，实现了对光纤中传输光的调制作用的光纤声光器件(SPIE，1987：753，P.150-154)。另一类是“体波声电光调制器”，这在国内外也有报道。如美国加利福尼亚工学院的Demetri Psaltis等人发表过论文《声电光光调制》(Applied Physics Letter，V.46，N.3，P.215-217，1985)、纽约理工大学的Hyuk Lee等人发表过论文《具有均匀强度响应的扫描声电光偏转器》(Applied Physics Letter，V.49，N.1，P.24-25，1986)、《声电光多通道频谱分析仪》(AppliedOptics，V.25，N.23，P.4452-4455，1986)、北京工业大学俞宽新等人发表过论文《反常声电光偏转器》(应用声学，V.15，N.6，P.7，1996)、《声电光效应与声电光器件》(光学学报，V.17，N.2，P.253，1997)、《声电光器件的研制》(光电子·激光，V.8，P.76，1997)、《反常声电光调制器》(数据采集与处理，V.12，N.4，P.289，1997)、《声电光效应的耦合波方程理论》(光学学报，V.18，N.4，P.464，1998)等。
体波光纤声光调制器的结构如图3所示，在长方体声光晶体的上晶面处粘贴电声换能器，左右两个晶面上分别粘贴短焦距透镜，然后在透镜外再分别粘贴输入光纤和输出光纤。其工作原理流程如图4所示。将待传输的视频或音频信号事先调制到射频信号上，射频信号的频率要与光纤声光调制器的中心频率一致，然后将此调制信号加载到光纤声光调制器的电声换能器上，换能器由具有压电性能的晶片制成，它可产生强度随传输信号变化的超声波，耦合进入声光晶体内。将激光引入输入光纤，经透镜聚焦于声光晶体内，受超声波的作用产生出一级衍射光，此光的强度随传输信号而变化，再经透镜的聚焦从输出光纤输出到光电转换器件如光电管上，将待传输信号解调出来，而零级光则用光栏将它挡掉。
体波声电光调制器的结构如图5所示，在长方体声电光晶体的上晶面处粘贴电声换能器，前后两个晶面上分别镀电光电极。其工作原理流程如图6所示。将待传输的视频或音频信号事先调制到射频信号上，射频信号的频率要与声电光调制器的中心频率一致，然后将此调制信号加载到声电光调制器的电声换能器上，换能器由具有压电性能的晶片制成，它可产生强度随传输信号变化的超声波，耦合进入声电光晶体内。再将激光引入声电光晶体内，受超声波的作用产生出一级衍射光，此光的强度随传输信号而变化，将衍射光输出到光电转换器件如光电管上，便可将待传输信号解调出来，而零级光则用光栏将它挡掉。另外将直流高压加在电光电极上，在声电光晶体内产生直流电场，通过改变所加电压的大小和方向，来控制声电光调制器的中心频率，使调制器的中心频率随需要而改变，增加使用的灵活性。体波声电光效应的的工作原理是这样的：它同时使用反常声光效应和横向电光效应，声光效应用来进行调制，而电光效则应用于控制器件的中心频率。即声光驱动电信号的功率随待传输的调制信号变化，而电光电压则由射频信号的频率所决定。当射频信号的频率与由电声换能器厚度所决定的器件固有中心频率不同时，势必会影响衍射效率，加上大小方向合适的电光电压后，可使器件的中心频率转移到该射频信号的频率上，使衍射效率回升。
体波光纤声光调制器与体波声电光调制器各有自己的特点，体波光纤声光调制器中的激光是在光纤中传输，使得它能用于光纤通信的调制技术中。而体波声电光调制器带有直流电极后，使得器件的中心频率可以通过外加的直流高压进行控制，一个器件当多个器件用，使用起来更加灵活方便。但是，这两种调制器又各自有缺陷，体波光纤声光调制器由于没有直流电极，无法对器件的中心频率进行控制，体波声电光调制器由于没有光纤，无法用于光纤通信的调制技术中。
发明内容
本发明的目的在于克服上述两种调制器的各自缺点，并综合两项现有技术的优点，设计一种体波光纤声电光调制器。
本发明的体波光纤声电光调制器结构如图1所示，特征在于：它包括有，在长方体声电光晶体2的上晶面处键合电声换能器1，在前后两个晶面上分别镀上电光电极7，在左右两个晶面上分别粘贴短焦距透镜8，在短焦距透镜8的外面分别粘贴输入光纤9和输出光纤10。
本发明的其工作原理流程图如图2所示。将待传输的视频或音频信号事先调制到射频信号上，射频信号的频率要与光纤声电光调制器的中心频率一致，然后将此调制信号加载到光纤声电光调制器的电声换能器上，换能器由具有压电性能的晶片制成，它可产生强度随传输信号变化的超声波，耦合进入声电光晶体内。将激光引入输入光纤，经透镜聚焦于声电光晶体内，受超声波的作用产生出一级衍射光，此光的强度随传输信号而变化，再经透镜的聚焦从输出光纤输出到光电转换器件如光电管上，将待传输信号解调出来，而零级光则用光栏将它挡掉。另外将直流高压加在电光电极上，在声电光晶体内产生直流电场，通过改变所加电压的大小和方向，来控制光纤声电光调制器的中心频率，使调制器的中心频率随需要而改变，增加使用的灵活性。
其工作原理同体波声电光调制器。它能达到的有益效果有两条：首先，这种调制器带有光纤，可以用于光纤通信的调制技术中。其次，它又带有直流电极，可以通过外加直流高压，控制调制器的中心频率，可用于不同频率的射频调制信号。
附图说明
图1本发明的体波光纤声电光调制器的结构电声换能器1，声电光晶体2，电光电极7，透镜8，输入光纤9，输出光纤10；入射光11，衍射光12，零级光13，光栏14；
图2体波光纤声电光调制器工作原理；
图3体波光纤声光调制器的结构；声光晶体15；
图4体波光纤声光调制器工作原理；
图5体波声电光调制器结构；
图6体波声电光调制器工作原理；
图7体波光纤声电光调制器视图键合层3，底电极4，顶电极5，银镀层6；图8制造本发明的体波光纤声电光调制器的工艺流程图。
具体实施方式
按照图1结构和图8工艺流程图，现将主要制作工艺简介如下1、光学加工
晶体的定向切割与研磨抛光统称为光学冷加工，各个晶面的定向误差不能超过5′，光洁度达11级。声电光晶体的六个晶面中有五个晶面需要抛光，其中入光面和出光面之间、镀电光电极的二个晶面之间，平行度误差不能超过3′。粘贴换能器的晶面要求最高，除上述要求以外，其平整度必须小于1个光圈。与换能器相对的晶面不用抛光，而且要磨去一定的角度，目的是让从换能器传播下来的超声波，反射后的传播方向与反射前的传播方向不在一条直线上，无法形成驻波。
2、镀膜
将压电换能器晶片和声电光晶体放入镀膜机内，同时在两块晶体上蒸镀银，分别作底电极4和银镀层6，因为蒸镀的时间相同，因此它们的厚度也是相同的。然后接着蒸镀铟作键合层3，它实际上是分别在两个晶体上各镀一半，镀铟之前，还要在声电光晶体上放置一个与压电晶片大小一样的掩模，以保证两个铟镀膜层的尺寸相同。
3、键合与减薄
将两块晶体的铟镀膜面对齐，适当加压使之键合在一起。然后对换能器晶片进行减薄，减至由器件中心频率所要求的厚度为止。这是一个影响器件质量的关键工艺。
4、镀电极
这里包括镀换能器的顶电极和电光电极，所用镀层材料都为银。其中镀换能器顶电极时，按照设计好的换能器等效长度l与宽度h事先预制好掩模，再进行蒸镀。
5、粘接透镜与光纤
用环氧树脂将两个透镜分别粘接到声电光晶体的入光面与出光面上，其中出光面上的透镜位置要精确调整到衍射光的位置上，故比入光面上的透镜位置略低一些。再分别将两根光纤的端面磨平后，粘接到透镜上。
6、装架与引线
将声电光晶体与换能器相对的的晶面用环氧树脂粘接到胶木板上，同时将光纤固定在与胶木板相连的小架子上。再用低温烙铁将引线从各个电极，包括电声换能器的底电极、顶电极和两个电光电极，焊接到胶木板上的小铆钉上。最后将胶木板固定在金属外壳内，再用引线将胶木板上的铆钉与外壳上的接线柱连接起来。
本发明的各部分器件作用如下：
1、电声换能器：将载有待传输调制信号的射频信号转换为超声波，使用具有压电性能的铌酸锂晶片(LN)。它的切割方向视所须超声波的性质而定，为了实现反常声光互作用，超声波必须是切变波，因此LN晶片的切割方向为X切，即晶片的法线方向为晶体的X轴晶片的厚度视调制器中心频率而定，频率越高，晶片越薄，例如选定调制器的中心频率为60MHz时，厚度d＝33μm。换能器起作用的等效长度与宽度实际上等于顶电极的长度l与宽度h，它们的大小由传统声光器件的设计方法决定，当调制器中心频率选定60MHz时，l＝2.2cm，h＝4mm。而压电晶片本身的长度与宽度要求并不严格，一般比顶电极的长度与宽度略大一些即可。
2、声电光晶体：实现反常声光效应和横向电光效应，利用反常声光效应对入射激光进行强度调制，利用横向电光效应控制调制器的中心频率，使用既具有较大声光系数，可实现反常声光效应；又具有较大电光系数，可实现横向电光效应的的铌酸锂(LN)晶体。由电光效应的理论知，在Y轴方向上加直流电场，光沿Z轴方向即光轴传播时，可实现横向电光效应。又由声光互作用理论知，超声切变波沿X轴传播，光沿Z轴传播时，可实现反常声光效应。因此声电光晶体的切割方向为：正视图中的左右是光传播方向，应沿晶体的Z轴、上下是超声波传播方向应沿晶体的X轴、前后是直流电场的方向，应沿晶体的Y轴。对于声电光晶体的尺寸要求并不十分严格，沿光传播方向上的长度L和沿电场方向上的宽度H只要比压电晶片的尺寸大些即可。按照上述数据可取L＝2.5cm、H＝6mm。而沿声波传播方向的高度D可取D＝2cm。
3、键合层：将声电光晶体和电声换能器晶片两个晶体键合在一起，所用蒸镀材料一般为比较软的金属铟。其长度和宽度与换能器晶片相同。由于声电光晶体及换能器晶片用的都是铌酸锂，而且在两个晶体中超声波的传播方向都是沿晶体的X轴，即它们的声阻抗一样，不必进行声学增透，故对键合层的厚度无要求，只要能将两晶体压合在一起即可。
4、底电极：作为电声换能器的一个电极，通过它将调制后的射频信号加载到换能器上并产生超声波。另外，它还兼有将声电光晶体金属化的作用，有利于接下来的键合层的蒸镀。所用蒸镀材料一般为导电性能最佳的银。由于它是覆盖在声电光晶体上的，因此它的长度与宽度和声电光晶体相同，厚度不限。
5、顶电极：作为电声换能器的另一个电极，作用同底电极。将银蒸镀在换能器的顶面，其长度与宽度实际上就是前面叙述过的等效换能器的长度与宽度，即l＝2.2cm、h＝4mm。其厚度只要能焊接引线就可以，不宜太厚，如果太厚会影响到器件的中心频率。
6、银镀层：目的仅仅是将压电换能器晶片金属化，以有利于键合层的蒸镀，其长度与宽度也和换能器晶片相同，由于它是和底电极同时蒸镀的，因此厚度也就和底电极相同。
7、电光电极：通过它将直流高压加到声电光晶体上，在晶体内形成直流电场，以控制调制器的中心频率。两个电光电极分别蒸镀在声电光晶体的沿Y轴方向的两个晶面上，它的长度U与宽度V要求不严格，只要考虑防止加直流高压时可能会产生被击穿的危险，保证在电光电极的镀层边缘与底电极之间有一定的空隙即可，可取U＝2.0cm，V＝1.5cm。所用蒸镀材料也是银。
8、透镜：两个透镜分别将从输入光纤中的入射激光聚焦在声电光晶体内，以及将衍射激光聚焦到输出光纤中去。使用焦距为1cm-2cm的短焦距透镜，直径不限。
9、光纤：两根光纤分别作输入光纤和输出光纤，其作用分别为输入激光和输出激光。
Claims (1)
1、一种体波光纤声电光调制器，其特征是：包括有在长方体声电光晶体(2)的上晶面处键合电声换能器(1)，在前后两个晶面上分别镀上电光电极(7)，在左右两个晶面上分别粘贴短焦距透镜(8)，在短焦距透镜(8)的外面分别粘贴的输入光纤(9)和输出光纤(10)。
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