基于聲光效應的音頻聲光通信研究

白秀麗 張秀賢

摘要：分析了基于聲光效應的布拉格衍射的基本原理，對布拉格衍射時聲光器件的調制、帶寬和中心頻率特性進行實驗研究， 并對音頻聲光模擬通信過程進行了詳細分析，為聲光通信的實際應用研究提供了可靠依據。

關鍵詞：聲光效應；布拉格衍射；幅度調制；頻率特性；音頻聲光通信

中圖分類號：TN929.13 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）07-0042-03

超聲波在介質波中的傳播，會引起介質光折射率的周期性調制，形成所謂“聲光柵”。光通過聲光柵，導致光傳播方向的偏轉（聲光衍射）和衍射光強度的調制，這就是聲光效應。早在1932年法國的Lucas和Biquard就對聲光效應做了實驗研究。1960年激光器的問世[1]，為聲光器件的研究提供了理想的光源，人工晶體如LiNbO3和TeO2等的成功生產為聲光器件提供了性能優良的聲光材料[2]，使得聲光器件具有良好的發展前景。通過改變超聲波的頻率和功率，可實現對衍射光束的強度、頻率和方向的調制。利用聲光效應制成的聲光調制器、聲光偏轉器和可調諧濾光器等聲光器件，在激光技術、光通信技術和表面波技術等方面有著重要的應用[3-5]。

聲光效應可產生布拉格衍射（Bragg）和拉曼納斯衍射，但通過合理選擇參數，布拉格一級衍射效率理論上可達到100%，而喇曼-納斯衍射中一級衍射光的最大衍射效率僅為34%[3]。因此，本文主要對布拉格衍射條件下聲光器件的性能進行研究，利用origin軟件對進行實驗數據處理，詳盡分析了聲光調制的幅度特性及頻率特性；通過構建聲光通信實驗系統，對音頻聲光模擬通信進行了研究。

1 基于聲光效應Bragg衍射的基本原理

高頻率的超聲波會增大聲光相互作用長度（L），當光波與聲波面成一定角度入射時，此時的聲擾動介質等效于周期結構立體相位光柵。當聲光作用的距離滿足L>2λS2/λ（λ為光波波長，λs為超聲波波長）時，且光波的入射角滿足布拉格衍射角時，各級衍射光在介質內相互干涉，抵消了高級次衍射光，只剩0級和+1級（或-1 級）衍射光的現象，稱為布拉格衍射，衍射光強如圖1所示。

當發生布拉格衍射時，設入射光強為Ii，則1級衍射光強可表示為：

上式中，Δn為聲致折射率的變化。在各向同性的介質中，由應變引起的折射率變化Δn可表示為：

式中，P為介質的彈光系數，S為聲場作用下介質的彈性應變幅值。則一級衍射光的衍射效率可表示為：

式中，PS為超聲波功率，L和H為超聲換能器的長和寬，M2為反映聲光介質本身性質的一常數。

2 聲光器件調制特性和頻率特性分析

聲光效應實驗中，光源選用波長為650nm的半導體激光器，中心頻率為100MHz的聲光器件，聲光介質材料為鉬酸鉛（n=2.386），信號發生器的頻率可調范圍為80～120MHz，功率信號源在0-100mA可調。

2.1 聲光器件的頻率特性分析

對聲光器件的頻率特性分析而言，中心頻率和帶寬是兩個非常重要的參數。在布拉格衍射下，固定超聲波功率，測量1級衍射光的相對強度I1與超聲波的頻率fs，利用origin軟件作出其關系曲線圖如圖2所示。一般規定衍射效率最大時對應的工作頻率稱為聲光器件的中心頻率，衍射效率降到最大值的時對應的頻寬間隔稱為聲光器件的帶寬[6]。由圖2可確定，該聲光器件的中心頻率為99.5MHz，此時衍射效率高達98.5%。找出相對強度下降到最高值的時對應的頻率為：f1=85MHz，f2=108.5MHz。可知帶寬Δfs=23.5MHz。

2.2 聲光調制特性分析

布拉格衍射下，固定功率信號源的超聲波頻率在上述分析的的中心頻率99.5MHz上，記錄0級光強（I0）和1級衍射光強（I1）以及超聲波功率（Ps），可得出其相對聲光調制曲線如圖3所示。由圖可以看出：隨著信號源功率的增大，0級衍射光逐漸減小，1級衍射光逐漸增大。當功率較低時，起主要作用的是0級衍射，當功率大于72mA時，1級光強度超過了0級光強度，起主要作用的是1級衍射光。因此，可以通過調節超聲波功率的大小實現對衍射光光強的控制。

3 模擬聲光通信實驗

利用聲光效應產生的布拉格衍射，對音頻信號進行調制，可實現聲光模擬通信，其實驗裝置原理圖如圖4所示。在模擬聲光通信實驗中，功率信號源打在“調幅”檔，信號發送器將音頻信號加載在由聲光功率信號源產生的高頻的聲波中。聲光功率信號源將調幅信號發送至聲光器件，在聲光效應的作用下發生布拉格衍射，衍射光光強被調制。載有調制信號的衍射光在光電池盒中被轉換為電信號，經過模擬通信接收器的解調、放大等處理，重現原信號，完成音頻信息的傳輸。

在實驗前，首先要調節激光源功率及功率信號源幅度，使衍射光強適中，避免信號飽和引起的傳輸失真[7]。實驗解調信號可通過揚聲器播放，為了更直觀也可通過示波器波形變化顯示出調制的過程，信號波形如圖5、圖6所示。首先，改變超聲波頻率的大小，當頻率變大時，示波器上的光電信號隨之變密集，這是因為激光經過調幅調制為載有音頻信號的信息，在示波器上顯示的波形因頻率變大而變得密集了，反過來波形會變得稀疏。其次，改變功率信號源的大小，示波器上波形的振幅大小隨功率的增大而相應增大，原因是功率的大小決定了超聲波的能量，也決定了對激光的調制能力，振幅也就隨功率相應變化。從圖中可以看出，接收器重現的信號隨超聲波頻率和功率信號源的功率變化而變化，這是由于音頻信號在聲光器件中受到功率信號源的調幅調制。

4 結語

本文對布拉格衍射條件下聲光器件的調制特性和頻率特性進行了實驗分析，結果顯示，該聲光器件有較高的中心頻率和較大的帶寬幅度，意味著可以在超聲載波中調制更高的模擬信號頻率。此外，本文還對音頻聲光通信進行了模擬，實驗驗證了該聲光器件對音頻信號起到了很好的調制作用，在今后的研究中開展視頻信號的聲光通信實驗還有待進一步的研究。該研究不僅為聲光效應實驗提供了完備的理論指導，更為聲光通信的實際應用研究提供了可靠依據。

參考文獻

[1]Lucas R， Biquard P. Propriétés optiques des milieux solides et liquides soumis aux vibrations élastiques ultra sonores[J].Journal De Physique，1932，3（10）：464-477.

[2]嚴一民，陳嘯宇，王素飛，等.PbMoO4和TeO2聲光偏轉器的仿真及特性分析[J].壓電與聲光，2015，37（1）：10-12.

[3]于艷春，李冠成，王秉坤，等.聲光效應實驗裝置及實驗研究[J].光學儀器，2004，26（6）：52-57.

[4]付瓊，金韜，周詮. 基于聲光效應的光束偏轉控制理論研究[J].光子學報，2007，36（6）：1083-1087.

[5]林偉，薛峰，張曄暉，等.聲光可調諧濾光器的原理與應用[J].微計算機信息，2005，（18）：127-128.

[6]逯美紅，郝少倩，王志軍.基于聲光效應的聲光器件特性研究[J].通信技術，2012，（11）：102-105.

[7]高晶.聲光調制器驅動源及其通信系統研究[D].中北大學，2013.