利用脈沖調制測量LiNiO3波導電光強度調制器的調制深度

摘 要：獲取高峰峰值的激光脈沖是激光致聲的關鍵，而提高系統中LiNiO3波導電光強度調制器的調制深度可提高峰峰值。文章在闡述了LiNiO3電光強度調制器的原理后，對其調制深度進行了研究。提出了利用脈沖調制測量調制深度的方法：擬合脈沖調制電壓高電平對應的輸出光功率與加載的調制電壓的函數關系，通過測量輸出光功率，可得到調制深度；并搭建了實驗系統，測量了電光調制器的調制深度。結果表明，利用脈沖調制能夠測量LiNiO3波導電光強度調制器的調制深度，提出的提高調制深度的方法為激光致聲研究中高峰峰值激光脈沖的獲取提供了解決方案。

關鍵詞：光電子學；激光致聲；電光調制器；調制電壓；調制深度

1 概述

激光致聲屬于聲、光交叉學科領域，與傳統聲源相比，利用激光致聲現象產生的聲波具有以下獨特的優勢：能夠覆蓋廣闊的水域，使設備與水隔絕，可遠距離傳輸，機動靈活，可用于各種惡劣環境等，因此，近年來，這項技術備受關注。但由于通過熱膨脹機制激發聲波的轉換效率很低，以致激發聲波的強度太小，使得這項技術在很多應用領域受到了限制。因此，得到峰峰值較高的脈沖激光是解決這一問題的有效途徑，也是這項技術研究中重點關注的問題。

獲得激光脈沖的方法有很多，使用鎖模和調Q脈沖激光器都能獲得高功率激光輸出，但由于其重復頻率太高，而無法在激光致聲中獲得廣泛應用。對連續光進行脈沖調制，再對脈沖光進行放大，成為目前激光致聲應用中獲得較高功率激光脈沖的一種有效方法。

LiNiO3波導電光調制器具有光譜工作范圍寬、驅動電壓低、插入損耗小、消光比高、啁啾可以為零或可調、可靠性高和易于大規模生產等優點，成為目前應用最為廣泛的脈沖調制器件。利用LiNiO3波導電光強度調制器調制得到脈沖光時，脈沖光的峰峰值與調制深度有關，提高調制深度可提高光脈沖的峰峰值。在實驗中通過信號發生器加載調制電壓，由于阻抗不匹配等原因，加載到電光調制器上的調制電壓與信號發生器輸出的電壓并不相同，調制深度即調制電壓必須通過實驗測量。為保證電光強度調制器的正確使用，同時又盡可能地得到高峰峰值的光脈沖，測量調制深度是非常必要的。文章提出了利用脈沖調制測量LiNiO3電光強度調制器的調制深度的方法，文章的研究對激光致聲研究領域中獲得高峰峰值的激光脈沖及這項技術的工程應用具有重要的指導意義。

2 理論

LiNiO3波導電光強度調制器的結構如圖1所示，在鈮酸鋰波導襯底上用鈦擴散技術制作出一個M-Z型干涉儀，輸入光經過一段路程后在一個Y分支處被分成相等的兩部分，每部分分別通過光波導的兩個支路，然后在第二個Y分支處干涉。由于通過不同的支路受到不同的相位調制，最終干涉形成強度調制。

由（9）式可知，在射頻端加載脈沖調制信號，在直流偏置端口加直流電壓VDC，就可獲得脈沖光輸出。若射頻端加載峰值電壓為Vm（低電平為-Vm，高電平為Vm）的脈沖調制信號，此時電光強度調制器輸出光脈沖的兩個峰值光功率分別為：

對比（9）式和（10）式可知，在強度調制器上加載峰值電壓為Vm的脈沖調制信號時，調制信號的低電平對應的光功率相當于射頻端不加載調制信號時，將直流偏置電壓降低Vm后的輸出光功率，而高電平相當于將直流偏置電壓提高Vm后的輸出光功率。

為了獲得最大的峰值功率和最大的消光比，直流電壓VDC和脈沖調制信號的選取最為重要。由（9）式和（10）式可知，當射頻端不加載調制信號時，電光強度調制器的輸出光功率隨直流偏置電壓VDC呈正弦變化，如果初相位為φ0=0，則只需選取直流偏置VDC=，射頻端峰值電壓Vm=Vπ，就可獲得最大峰值功率和最大消光比的激光脈沖。但在實際應用中，由于阻抗不匹配等原因，加載到LiNiO3電光強度調制器的電壓與實測電壓不同，同時，調制器初相位也不一定恒為零。因此很難通過設定偏置電壓和調制脈沖電壓就可獲得高性能的激光脈沖。

在實際應用中，調節直流偏置電壓，使電光強度調制器工作在輸出光功率從最小值上升到最大值的平均值位置，即工作在線性區，此時，經調制后，調制電壓的高低對應的光功率P1和P2滿足下式：

由（11）式和（12）式可知，通過測量得到的加載脈沖調制后電光強度調制器的輸出光功率和不加載脈沖調制時電光強度調制器的最大和最小輸出光功率可確定調制信號高低電平對應的光功率，然后通過只加載直流偏置電壓時電光強度調制器的輸出光功率隨直流偏置電壓VDC變化的正弦曲線可確定真正加載到電光調制器上的調制電壓值，進而確定調制深度。

3 實驗

通過脈沖調制測量LiNiO3電光強度調制器調制深度的實驗框圖如圖2所示。激光器輸出波長為1550nm的激光直接輸入到電光強度調制器，直流電源和信號發生器分別為電光強度調制器提供直流偏置和脈沖調制信號，調制器的輸出端用光纖耦合器分為光功率分別為99.7%和0.3%兩路， 一路用來監測脈沖調制后的光波形，99.7%一路用來測量加載調制后調制器輸出的平均光功率。

利用光功率計測量得到激光器的輸出功率為38mW，電光強度調制器的射頻端不加載調制信號時，直流偏置電壓從0V增大到14V，步長為0.5V，電光調制器輸出光功率的變化曲線如圖3所示：

由圖3可知，當直流偏置電壓為6.5V時，輸出光功率達到最小，最小值為0.02mW；當直流偏置電壓為11V時，輸出光功率達到最大，最大值為14.80mW。由此可得，電光強度調制器的半波電壓Vπ為4.5V，（11）式中Pa=7.41mW。在以下的實驗中，保持直流偏置電壓為8.75V。設置信號發生器輸出脈沖電壓的占空比為10%，脈沖調制信號的峰值電壓從0.25V增大到4V，步長為0.25V。測量電光強度調制器的輸出光功率，通過（11）式和（12）式可計算出此時P1和P2的值，其具體數值如表1所示。峰值電壓分別為0.5V和1V時，示波器上觀測到的信號波形如圖4所示。

圖4（a）為脈沖調制信號峰值電壓為0.5V時示波器上觀測到的波形，圖4（b）為峰值電壓為1V觀測到的波形，兩圖中，上面的曲線為脈沖調制信號波形，下面的曲線為調制得到的光脈沖信號波形，兩信號波形相同。對比兩圖可知，調制電壓為1V時得到的激光脈沖峰峰值大于調制信號為0.5V時的光脈沖峰峰值，這與上一節理論分析的結果一致。

由上節的理論分析可知，圖3中輸出光功率隨直流偏置電壓的變化曲線，也是調制信號高電平對應的輸出光功率P1隨加載到調制器上脈沖調制信號的峰值電壓的變化曲線，隨著Vm的增大，P1按正弦趨勢變化，擬合Vm與P1的函數關系為：

由表1的實驗數據可以看出，信號發生器輸出的電壓和真正加載到LiNiO3電光強度調制器上的調制電壓有很大的差別，用脈沖調制的方法能夠測量出調制電壓，進而得到調制深度。

4 結束語

LiNiO3電光強度調制器可將連續光調制成脈沖光，該脈沖光可用于激光致聲技術的研究。文章提出了利用脈沖調制測量電光調制器調制深度的方法，并提出了提高調制深度的方案，從而能夠獲得激光致聲研究中所需的高峰峰值的激光脈沖，本文的研究對激光技術的工程應用具有重要意義。

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