利用脈沖調(diào)制測(cè)量LiNiO3波導(dǎo)電光強(qiáng)度調(diào)制器的調(diào)制深度

摘 要：獲取高峰峰值的激光脈沖是激光致聲的關(guān)鍵，而提高系統(tǒng)中LiNiO3波導(dǎo)電光強(qiáng)度調(diào)制器的調(diào)制深度可提高峰峰值。文章在闡述了LiNiO3電光強(qiáng)度調(diào)制器的原理后，對(duì)其調(diào)制深度進(jìn)行了研究。提出了利用脈沖調(diào)制測(cè)量調(diào)制深度的方法：擬合脈沖調(diào)制電壓高電平對(duì)應(yīng)的輸出光功率與加載的調(diào)制電壓的函數(shù)關(guān)系，通過測(cè)量輸出光功率，可得到調(diào)制深度；并搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)量了電光調(diào)制器的調(diào)制深度。結(jié)果表明，利用脈沖調(diào)制能夠測(cè)量LiNiO3波導(dǎo)電光強(qiáng)度調(diào)制器的調(diào)制深度，提出的提高調(diào)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(guān)鍵詞：光電子學(xué)；激光致聲；電光調(diào)制器；調(diào)制電壓；調(diào)制深度

1 概述

激光致聲屬于聲、光交叉學(xué)科領(lǐng)域，與傳統(tǒng)聲源相比，利用激光致聲現(xiàn)象產(chǎn)生的聲波具有以下獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：能夠覆蓋廣闊的水域，使設(shè)備與水隔絕，可遠(yuǎn)距離傳輸，機(jī)動(dòng)靈活，可用于各種惡劣環(huán)境等，因此，近年來，這項(xiàng)技術(shù)備受關(guān)注。但由于通過熱膨脹機(jī)制激發(fā)聲波的轉(zhuǎn)換效率很低，以致激發(fā)聲波的強(qiáng)度太小，使得這項(xiàng)技術(shù)在很多應(yīng)用領(lǐng)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(xiàng)技術(shù)研究中重點(diǎn)關(guān)注的問題。

獲得激光脈沖的方法有很多，使用鎖模和調(diào)Q脈沖激光器都能獲得高功率激光輸出，但由于其重復(fù)頻率太高，而無法在激光致聲中獲得廣泛應(yīng)用。對(duì)連續(xù)光進(jìn)行脈沖調(diào)制，再對(duì)脈沖光進(jìn)行放大，成為目前激光致聲應(yīng)用中獲得較高功率激光脈沖的一種有效方法。

LiNiO3波導(dǎo)電光調(diào)制器具有光譜工作范圍寬、驅(qū)動(dòng)電壓低、插入損耗小、消光比高、啁啾可以為零或可調(diào)、可靠性高和易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，成為目前應(yīng)用最為廣泛的脈沖調(diào)制器件。利用LiNiO3波導(dǎo)電光強(qiáng)度調(diào)制器調(diào)制得到脈沖光時(shí)，脈沖光的峰峰值與調(diào)制深度有關(guān)，提高調(diào)制深度可提高光脈沖的峰峰值。在實(shí)驗(yàn)中通過信號(hào)發(fā)生器加載調(diào)制電壓，由于阻抗不匹配等原因，加載到電光調(diào)制器上的調(diào)制電壓與信號(hào)發(fā)生器輸出的電壓并不相同，調(diào)制深度即調(diào)制電壓必須通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量。為保證電光強(qiáng)度調(diào)制器的正確使用，同時(shí)又盡可能地得到高峰峰值的光脈沖，測(cè)量調(diào)制深度是非常必要的。文章提出了利用脈沖調(diào)制測(cè)量LiNiO3電光強(qiáng)度調(diào)制器的調(diào)制深度的方法，文章的研究對(duì)激光致聲研究領(lǐng)域中獲得高峰峰值的激光脈沖及這項(xiàng)技術(shù)的工程應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

2 理論

LiNiO3波導(dǎo)電光強(qiáng)度調(diào)制器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，在鈮酸鋰波導(dǎo)襯底上用鈦擴(kuò)散技術(shù)制作出一個(gè)M-Z型干涉儀，輸入光經(jīng)過一段路程后在一個(gè)Y分支處被分成相等的兩部分，每部分分別通過光波導(dǎo)的兩個(gè)支路，然后在第二個(gè)Y分支處干涉。由于通過不同的支路受到不同的相位調(diào)制，最終干涉形成強(qiáng)度調(diào)制。

由（9）式可知，在射頻端加載脈沖調(diào)制信號(hào)，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(diào)制信號(hào)，此時(shí)電光強(qiáng)度調(diào)制器輸出光脈沖的兩個(gè)峰值光功率分別為：

對(duì)比（9）式和（10）式可知，在強(qiáng)度調(diào)制器上加載峰值電壓為Vm的脈沖調(diào)制信號(hào)時(shí)，調(diào)制信號(hào)的低電平對(duì)應(yīng)的光功率相當(dāng)于射頻端不加載調(diào)制信號(hào)時(shí)，將直流偏置電壓降低Vm后的輸出光功率，而高電平相當(dāng)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(diào)制信號(hào)的選取最為重要。由（9）式和（10）式可知，當(dāng)射頻端不加載調(diào)制信號(hào)時(shí)，電光強(qiáng)度調(diào)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(shí)際應(yīng)用中，由于阻抗不匹配等原因，加載到LiNiO3電光強(qiáng)度調(diào)制器的電壓與實(shí)測(cè)電壓不同，同時(shí)，調(diào)制器初相位也不一定恒為零。因此很難通過設(shè)定偏置電壓和調(diào)制脈沖電壓就可獲得高性能的激光脈沖。

在實(shí)際應(yīng)用中，調(diào)節(jié)直流偏置電壓，使電光強(qiáng)度調(diào)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(qū)，此時(shí)，經(jīng)調(diào)制后，調(diào)制電壓的高低對(duì)應(yīng)的光功率P1和P2滿足下式：

由（11）式和（12）式可知，通過測(cè)量得到的加載脈沖調(diào)制后電光強(qiáng)度調(diào)制器的輸出光功率和不加載脈沖調(diào)制時(shí)電光強(qiáng)度調(diào)制器的最大和最小輸出光功率可確定調(diào)制信號(hào)高低電平對(duì)應(yīng)的光功率，然后通過只加載直流偏置電壓時(shí)電光強(qiáng)度調(diào)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(diào)制器上的調(diào)制電壓值，進(jìn)而確定調(diào)制深度。

3 實(shí)驗(yàn)

通過脈沖調(diào)制測(cè)量LiNiO3電光強(qiáng)度調(diào)制器調(diào)制深度的實(shí)驗(yàn)框圖如圖2所示。激光器輸出波長(zhǎng)為1550nm的激光直接輸入到電光強(qiáng)度調(diào)制器，直流電源和信號(hào)發(fā)生器分別為電光強(qiáng)度調(diào)制器提供直流偏置和脈沖調(diào)制信號(hào)，調(diào)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(jiān)測(cè)脈沖調(diào)制后的光波形，99.7%一路用來測(cè)量加載調(diào)制后調(diào)制器輸出的平均光功率。

利用光功率計(jì)測(cè)量得到激光器的輸出功率為38mW，電光強(qiáng)度調(diào)制器的射頻端不加載調(diào)制信號(hào)時(shí)，直流偏置電壓從0V增大到14V，步長(zhǎng)為0.5V，電光調(diào)制器輸出光功率的變化曲線如圖3所示：

由圖3可知，當(dāng)直流偏置電壓為6.5V時(shí)，輸出光功率達(dá)到最小，最小值為0.02mW；當(dāng)直流偏置電壓為11V時(shí)，輸出光功率達(dá)到最大，最大值為14.80mW。由此可得，電光強(qiáng)度調(diào)制器的半波電壓Vπ為4.5V，（11）式中Pa=7.41mW。在以下的實(shí)驗(yàn)中，保持直流偏置電壓為8.75V。設(shè)置信號(hào)發(fā)生器輸出脈沖電壓的占空比為10%，脈沖調(diào)制信號(hào)的峰值電壓從0.25V增大到4V，步長(zhǎng)為0.25V。測(cè)量電光強(qiáng)度調(diào)制器的輸出光功率，通過（11）式和（12）式可計(jì)算出此時(shí)P1和P2的值，其具體數(shù)值如表1所示。峰值電壓分別為0.5V和1V時(shí)，示波器上觀測(cè)到的信號(hào)波形如圖4所示。

圖4（a）為脈沖調(diào)制信號(hào)峰值電壓為0.5V時(shí)示波器上觀測(cè)到的波形，圖4（b）為峰值電壓為1V觀測(cè)到的波形，兩圖中，上面的曲線為脈沖調(diào)制信號(hào)波形，下面的曲線為調(diào)制得到的光脈沖信號(hào)波形，兩信號(hào)波形相同。對(duì)比兩圖可知，調(diào)制電壓為1V時(shí)得到的激光脈沖峰峰值大于調(diào)制信號(hào)為0.5V時(shí)的光脈沖峰峰值，這與上一節(jié)理論分析的結(jié)果一致。

由上節(jié)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(diào)制信號(hào)高電平對(duì)應(yīng)的輸出光功率P1隨加載到調(diào)制器上脈沖調(diào)制信號(hào)的峰值電壓的變化曲線，隨著Vm的增大，P1按正弦趨勢(shì)變化，擬合Vm與P1的函數(shù)關(guān)系為：

由表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，信號(hào)發(fā)生器輸出的電壓和真正加載到LiNiO3電光強(qiáng)度調(diào)制器上的調(diào)制電壓有很大的差別，用脈沖調(diào)制的方法能夠測(cè)量出調(diào)制電壓，進(jìn)而得到調(diào)制深度。

4 結(jié)束語

LiNiO3電光強(qiáng)度調(diào)制器可將連續(xù)光調(diào)制成脈沖光，該脈沖光可用于激光致聲技術(shù)的研究。文章提出了利用脈沖調(diào)制測(cè)量電光調(diào)制器調(diào)制深度的方法，并提出了提高調(diào)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(duì)激光技術(shù)的工程應(yīng)用具有重要意義。

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