一種基于集成光學聲光可調(diào)諧濾波器的近紅外光譜儀

一種基于集成光學聲光可調(diào)諧濾波器的近紅外光譜儀
摘要研制成功一種基于集成光學聲光可調(diào)諧濾波器(IAO FF)的新型近紅外光譜儀。從理論上分析了這種光譜 儀的特征方程及分辨率，然后用三個中心波長不同的增益開關分布反饋激光器(DFB)的耦合光源進行了發(fā)射光譜 的實驗測量，最后通過傅里葉逆卷積的方法進行了光譜數(shù)據(jù)的恢復工作，從而進一步將該光譜儀的分辨本領提高 到0．6 nm。

1 引 言 作為傳統(tǒng)光譜儀的更新?lián)Q代產(chǎn)品，以聲光可調(diào) 諧濾波器(A()TF)作為分光元件的光譜儀 引起 人們的普遍關注。聲光可調(diào)諧濾波器是利用聲光衍 射原理制成的分光器件，初期大多采用體器件的結(jié) 構(gòu)。我們在體器件的基礎上，采用集成光學工藝，制 成集成光學聲光可調(diào)諧濾波器(IAOTF) j。同體 聲光可調(diào)諧濾波器器件相比，集成光學聲光可調(diào)諧 濾波器的結(jié)構(gòu)更加緊湊，體積更加小巧，衍射效率可 接近100％ ，帶寬下降到幾納米(體聲光可調(diào)諧濾波 器通常為數(shù)十個納米)，并大大降低了所需的射頻 (RF)驅(qū)動功率(大約幾十毫瓦，而體聲光可調(diào)諧濾  電力分析儀| 諧波分析儀| 發(fā)生器| 多用表| 驗電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測試器| 電力計| 電力測量儀| 光度計| 電壓計| 電流計| 波器通常接近1 W)。在此基礎上，研制成一種基于 集成光學聲光可調(diào)諧濾波器的近紅外光譜儀。它是 一種全固態(tài)裝置，沒有任何機械傳動和調(diào)節(jié)機構(gòu)，同 傳統(tǒng)的光譜儀相比，這種光譜儀具有很多優(yōu)點，例 如：光譜掃描速度快、重復測量容易，測量精度高等。 由于采用r集成光學器件，入射光可通過尾纖進行 耦合，而不必采用任何形式的狹縫，也不存在衍射效 應，因此大大降低了器件的光損耗。另外，這種光譜 儀還具有穩(wěn)定性強、調(diào)諧范圍寬、無二級光譜以及易 于與計算機連接進行掃描控制等優(yōu)點。

2 理論分析
2．1 單級集成光學聲光可調(diào)諧濾波器光譜儀的透 過率及特征方程 單級共線型集成光學聲光可調(diào)諧濾波器的結(jié)構(gòu) 如圖1所示。當一束TM 模的光波入射到集成光 學聲光可調(diào)諧濾波器的光波導中時，在聲波作用下， 會耦合出TE模光波。在集成光學聲光可調(diào)諧濾波 器的出射端有一個TE通偏振器，因此，透過率可以 表達為 P= 式中 為聲光耦合系數(shù)，L為聲光相互作用長度，△p 由下式給出 △ 一27ff_A71一 1 (2) 。 ＼ ^ ‘ “ ／ 式中An— l獅 一研 f，這里 和研E分別是TM 模和TE模的有效折射率，， 和 為聲波的頻率和 相速。適當調(diào)整聲波強度，使得 = 丌／2，在滿足位 相匹配條件，即△口一0時，P— l，達到最大值，此時， 透射的峰值波長滿足 = = = An· If, (3) 如果波長偏離位相匹配條件，P下降，從而達到 濾波的目的。當入射光是一系列具有不同波長的單 色光波，例如波分復用器(WDM)網(wǎng)絡中各信道的 波長，那么隨著聲頻的掃頻，會出現(xiàn)一系列分離的光 波峰值。根據(jù)這些峰值所對應的聲頻，可按(3)式求 出相應的光波波長或頻率，而且這些信道的信號強 度與透過集成光學聲光可調(diào)諧濾波器的相應光波的 強度成正比。 如果入射光是連續(xù)光譜L(．：L)，則透過光強隨聲 AlA2.A ■ 0 lll_ l1． _l_ TTT 一 II. I ^． 兒上一 lIllI、 ＼ I 4 | } { l 、 ＼ l 2 3 4 5 6 圖l 共線型集成光學聲光可調(diào)諧濾波器的基本結(jié)構(gòu)圖 1，5：聲吸收帶；2：叉指換能器；3：聲波導； 4：光波導；6：TE通偏振器 Fig．1 Basic structure diagram of collinear IAOTF 1- 5： acoustical absorbers； 2： inlerdigitaI transducer； 3： acousdcal waveguide；4：optical waveguide；6：TE pass polarizer 頻的變化T(fo)是 )和由(1)式所表示的點擴 散函數(shù)的卷積，這里，I ( )是將(3)式代入L( )所 得到的函數(shù)。亦即 T(f )：I L( 。)·lD(． 一 )d．fot 一 L(fo) |D( ) (4) 因此，L(f )可以從測得的T(J )和點擴散函數(shù) |D( )的逆卷積得到。
2．2 分辨本領 分辨本領是衡量光譜儀器性能優(yōu)劣的重要參 數(shù)。從(1)式不難得出該儀器的半極大值帶寬為 齜z： ㈤ 將(3)式代入(5)式，即可得到分辨本領 R ； 一一1．25N (6) 1 1 式中N ===L／A(以一 ／／ ，為聲波的波長)是聲光 相互作用區(qū)L所包含聲波的周期數(shù)，可見，L越長， 所包含的聲波周期數(shù)越多，光譜儀的分辨率就越高。

3 實驗測量 根據(jù)以上理論，制作了光譜儀的核心元器件集 成光學聲光可調(diào)諧濾波器，并利用輸出波長為 1．523肚m 的氦氖激光器對它的性能進行了測試，在 有效聲光作用長度16 mm，射頻驅(qū)動功率35 mW ， 聲波頻率177．8 MHz時，獲得了模式轉(zhuǎn)換效率大于 99．3 ，插入損耗小于一4 dB，3 dB帶寬1．6 nm，一 級側(cè)瓣抑制達到一9 dB的測量結(jié)果，其點擴散函數(shù) 曲線如圖2所示。由于叉指換能器(IDT)的帶寬為 l6 MHz，按照每l MHz聲頻對應8．7 nm 的光波波 長偏移計算，該集成光學聲光可調(diào)諧濾波器光譜儀 可以達到的調(diào)諧范圍為140 nm。 一1 0～0 8～06-0．4—0 2 (1 0 2 0 4 0．6 0．8 l O Frequenc) of acoustic AF／M Hz 圖2 集成光學聲光可調(diào)諧濾波器的點擴散函數(shù)曲線 Fig．2 Spectral point spread function of the 1AOTF 光譜測量的實驗裝置如圖3所示，用3×l耦合 器將三個中心波長分別為l527，l 529和l 574nlTl的 圖3 集成光學聲光可調(diào)諧濾波器光譜測量的 實驗裝置圖 Fig．3 Schematic diagram of the experimental setup for IAOTF spectrometer I520 I530 I 540 I 550 I560 l570 l580 I590 W avelength／nm 1．0 0 8 0．6 0．4 0 2 0．0 增益開關分布反饋激光器(DFB)耦合成一束出射 光，并經(jīng)偏振控制器(PC)校準成TM 偏振態(tài)，入射 到集成光學聲光可調(diào)諧濾波器光譜儀中。通過掃描 信號發(fā)生器(RF)頻率，并調(diào)節(jié)輸出信號功率，進行 光譜測量。輸出光波用PIN探測器接收，再經(jīng)鎖相 放大器，l6位模／數(shù)轉(zhuǎn)換接口與計算機連接，進行采 樣和存儲，測量結(jié)果如圖4(a)所示。從該圖可以測 出測量光譜的3 dB帶寬為1．83 nlTl，比理想情況的 1．6 nlTl的帶寬有所展寬，因此比較接近的l527 nm 和l529 nlTl處譜線分開得不夠理想，原因有兩個， 第一是由于實驗條件的限制，對環(huán)境溫度的控制不 夠理想，溫度的漂移使聲光可調(diào)諧濾波器的帶寬增 大；第二是射頻信號的不穩(wěn)定，光纖布局的抖動也可 能導致聲光可調(diào)諧濾波器的帶寬增大。 1520 I530 I540 I550 l560 l570 l580 I590 Wavelength／rim 。 I．^ 。．．-．．．I▲-．．1．．． -“Jl『 I520 I530 I540 I550 I560 l570 l580 l590 W avelength／nm 圖4
(a)集成光學聲光可調(diào)諧濾波器光譜儀所測量的增益開關分布反饋激光器發(fā)射光譜；(
b)光柵光譜儀所測量 的增益開關分布反饋激光器發(fā)射光譜；
(c)經(jīng)傅里葉自卷積處理后的光譜 Fig·4 (a)DFBs emitting spectrum measured by IAOTF spectrometer；(b)DFBs emitting spectrum measured by grating spectrometer；(c)Fourier deconvolved emitting IAOTF spectrum of DFBs 另外用測量范圍800～2500 nlTl，3 dB帶寬0．8 nlTl的光柵光譜儀對增益開關分布反饋激光器的出 射光進行了測量，測量結(jié)果如圖4(b)所示。從該圖 可以測出用光柵光譜儀所測量光譜的3 dB帶寬為 0．83 nlTl，測量效果比較理想。通過圖4(a)，(b)的 對比可以看出集成光學聲光可調(diào)諧濾波器光譜儀在 分辨本領上與光柵光譜儀有一定差距，因此為了進 一步提高集成光學聲光可調(diào)諧濾波器的性能，研制 了一種新型的準共線聲光耦合集成光學聲光可調(diào)諧 濾波器 作為分光元件，如圖5所示。這種新型準 共線集成光學聲光可調(diào)諧濾波器采用了TE／TM 模 分離器，克服了原器件依賴于偏振的不足之處，進一 步降低了入射光的耦入損耗；并且采用了SiO ／ Inz()。薄膜聲波導，只要適當調(diào)整聲波導和光波導 O 8 6 4 2 O ● O O O O O O 8 6 4 2 O ● O O O O O 的夾角0，就可以既使側(cè)瓣得到抑制，又不會使主瓣 寬度明顯增加。因此即使在準共線耦合的情形下，只 要選擇合適的0角，公式(5)和(6)仍然近似成立。在 聲光相互作用長度L一25 mm，0—0．42。時，在中心 頻率l74 MHz附近獲得了帶寬1．44 nH1，一級側(cè)瓣 一l3．2 dB，模式轉(zhuǎn)換效率大于99 的測試結(jié)果。 ． i L nput spli ． tter 一 mode wavegu’de d舀_mod0： ． l 黼翮圈_曩■spliner j■I — 目 j — I qw一】■【 。 3IiI 。 i 圖5 準共線型集成光學聲光可調(diào)諧濾波器的 基本結(jié)構(gòu)圖 Fig，5 Basic structure diagram of quasi—collinear IAOTF

4 討論 實驗中采用的共線型聲光可調(diào)諧濾波器雖然已 經(jīng)能夠滿足目前的要求，但是為了進一步提高器件 性能還可以采取下列方法。 如前所述，實際測量的光譜m( )是真實光譜 ，一( )與聲光可調(diào)諧濾波器的點擴散函數(shù)p( )的卷 積。即 m( )一l，．( )』D( — )d20一r(2) p(2)(7) 由于 ≤ 0不具有物理意義，所以對(7)式規(guī)定，當 ≤ 0時，r(a)一0。令M(．，’)，R( 廠)和P(．廠)分別表示 Ⅲ( )，r(A)和p(a)的傅里葉變換，即 M(／’)一l Ell( )exp(一i2~rf2)da (8) R(／ )一l，．( )exp(-i2 )da (9) P(_廠)一l p(a)exp(- i2~rf2)da (10) 則 卷積定理一 -可知 M(／’)一R(／、)×P(_廠) (11) 對(11)式進行變形，得到 )一 ) 由此再利用傅里葉逆變換，就町比較準確地再現(xiàn)輸 入光譜分布。圖4(c)給出了進行數(shù)據(jù)恢復之后的 光譜�？梢郧宄�地看到，光譜的帶寬變?yōu)?．6 nm； 原來重疊在一起的譜線現(xiàn)在可以明顯地分辨開，得 到了比光柵光譜儀更為理想的效果。 另外，采用級聯(lián)結(jié)構(gòu) ]，同時增加聲光相互作 用長度，可以使譜線的3 dB帶寬下降到0．8 nm 以 下。這樣，除了一般的光譜測量之外，還可用它來進 行波分復用器網(wǎng)絡中各信道的頻譜分析。 采用寬帶設計的叉指換能器可以進一步拓寬集 成光學聲光可調(diào)諧濾波器光譜儀的光譜測量調(diào)諧范 圍，還可以在同一個基片上制作幾個調(diào)諧范圍不同 的集成光學聲光可調(diào)諧濾波器，制成可以測量從紫 外到中紅外較大光譜范圍的光譜儀，擴大它的應用 范圍。

5 結(jié) 論 本文所討論的這種基于集成光學聲光可調(diào)諧濾 波器的近紅外光譜儀比以光柵和體聲光可調(diào)諧濾波 器作為分光元件的光譜儀在性能方面有了很大的改 善，而且它所具有的全固態(tài)、小巧緊湊、無任何機械 傳動和調(diào)節(jié)機構(gòu)以及光譜掃描速度快、光能量利用 率高等突出的優(yōu)點使得它非常適用于網(wǎng)絡中各信道 的頻譜分析。