1 引 言
作为传统光谱仪的更新换代产品,以声光可调谐滤波器(AOTF)作为分光元件的光谱仪[1~3]引起人们的普遍关注。声光可调谐滤波器是利用声光衍射原理制成的分光器件,初期大多采用体器件的结构。我们在体器件的基础上,采用集成光学工艺,制成集成光学声光可调谐滤波器(IAOTF)[4]。同体声光可调谐滤波器器件相比,集成光学声光可调谐滤波器的结构更加紧凑,体积更加小巧,衍射效率可接近100%,带宽下降到几纳米(体声光可调谐滤波器通常为数十个纳米),并大大降低了所需的射频(RF)驱动功率(大约几十毫瓦,而体声光可调谐滤波器通常接近1 W)。在此基础上,研制成一种基于集成光学声光可调谐滤波器的近红外光谱仪。它是一种全固态装置,没有任何机械传动和调节机构,同传统的光谱仪相比,这种光谱仪具有很多优点,例如:光谱扫描速度快、重复测量容易,测量精度高等。
由于采用了集成光学器件,入射光可通过尾纤进行耦合,而不必采用任何形式的狭缝,也不存在衍射效应,因此大大降低了器件的光损耗。另外,这种光谱仪还具有稳定性强、调谐范围宽、无二级光谱以及易于与计算机连接进行扫描控制等优点。
2 理论分析
2.1 单级集成光学声光可调谐滤波器光谱仪的透过率及特征方程
单级共线型集成光学声光可调谐滤波器的结构如图1所示。当一束TM模的光波入射到集成光学声光可调谐滤波器的光波导中时,在声波作用下,会耦合出TE模光波。在集成光学声光可调谐滤波器的出射端有一个TE通偏振器,因此,透过率可以表达为[5]
式中Δn = nTM- nTE,这里nTM和nTE分别是TM模和TE模的有效折射率,fa和va为声波的频率和相速。适当调整声波强度,使得κL =π/2,在满足位相匹配条件,即Δβ=0时,ρ=1,达到最大值,此时,透射的峰值波长满足
如果波长偏离位相匹配条件,ρ下降,从而达到滤波的目的。当入射光是一系列具有不同波长的单色光波,例如波分复用器(WDM)网络中各信道的波长,那么随着声频的扫频,会出现一系列分离的光波峰值。根据这些峰值所对应的声频,可按(3)式求出相应的光波波长或频率,而且这些信道的信号强度与透过集成光学声光可调谐滤波器的相应光波的强度成正比。
如果入射光是连续光谱L(λ),则透过光强随声频的变化T(fa)是L(fa)和由(1)式所表示的点扩散函数的卷积,这里,L(fa)是将(3)式代入L(λ)所得到的函数。亦即
2.2 分辨本领
分辨本领是衡量光谱仪器性能优劣的重要参数。从(1)式不难得出该仪器的半极大值带宽为
式中N= L/Λ(Λ= va/fa,为声波的波长)是声光相互作用区L所包含声波的周期数,可见,L越长,所包含的声波周期数越多,光谱仪的分辨率就越高。
3 实验测量
根据以上理论,制作了光谱仪的核心元器件集成光学声光可调谐滤波器,并利用输出波长为1·523μm的氦氖激光器对它的性能进行了测试,在有效声光作用长度16 mm,射频驱动功率35 mW,声波频率177·8 MHz时,获得了模式转换效率大于99·3%,插入损耗小于-4 dB,3 dB带宽1·6 nm,一级侧瓣抑制达到-9 dB的测量结果,其点扩散函数曲线如图2所示。由于叉指换能器(IDT)的带宽为16 MHz,按照每1 MHz声频对应8·7 nm的光波波长偏移计算,该集成光学声光可调谐滤波器光谱仪可以达到的调谐范围为140 nm。
光谱测量的实验装置如图3所示,用3×1耦合器将三个中心波长分别为1527,1529和1574nm的增益开关分布反馈激光器(DFB)耦合成一束出射光,并经偏振控制器(PC)校准成TM偏振态,入射到集成光学声光可调谐滤波器光谱仪中。通过扫描信号发生器(RF)频率,并调节输出信号功率,进行光谱测量。输出光波用PIN探测器接收,再经锁相放大器,16位模/数转换接口与计算机连接,进行采样和存储,测量结果如图4(a)所示。从该图可以测出测量光谱
的3 dB带宽为1·83 nm,比理想情况的1·6 nm的带宽有所展宽,因此比较接近的1527 nm和1529 nm处谱线分开得不够理想,原因有两个,第一是由于实验条件的限制,对环境温度的控制不够理想,温度的漂移使声光可调谐滤波器的带宽增大;第二是射频信号的不稳定,光纤布局的抖动也可能导致声光可调谐滤波器的带宽增大。
另外用测量范围800~2500 nm,3 dB带宽0·8nm的光栅光谱仪对增益开关分布反馈激光器的出射光进行了测量,测量结果如图4(b)所示。从该图可以测出用光栅光谱仪所测量光谱的3 dB带宽为0·83 nm,测量效果比较理想。通过图4(a),(b)的对比可以看出集成光学声光可调谐滤波器光谱仪在分辨本领上与光栅光谱仪有一定差距,因此为了进一步提高集成光学声光可调谐滤波器的性能,研制了一种新型的准共线声光耦合集成光学声光可调谐滤波器[6]作为分光元件,如图5所示。这种新型准共线集成光学声光可调谐滤波器采用了TE/TM模分离器,克服了原器件依赖于偏振的不足之处,进一步降低了入射光的耦入损耗;并且采用了SiO2/In2O3薄膜声波导,只要适当调整声波导和光波导的夹角θ,就可以既使侧瓣得到抑制,又不会使主瓣宽度明显增加。因此即使在准共线耦合的情形下,只要选择合适的θ角,公式(5)和(6)仍然近似成立。在声光相互作用长度L=25 mm,θ=0·42°时,在中心频率174MHz附近获得了带宽1·44 nm,一级侧瓣-13·2 dB,模式转换效率大于99%的测试结果。
4 讨 论
实验中采用的共线型声光可调谐滤波器虽然已经能够满足目前的要求,但是为了进一步提高器件性能还可以采取下列方法。
如前所述,实际测量的光谱m(λ)是真实光谱r(λ)与声光可调谐滤波器的点扩散函数ρ(λ)的卷积,即
由此再利用傅里叶逆变换,就可比较准确地再现输入光谱分布。图4(c)给出了进行数据恢复之后的光谱。可以清楚地看到,光谱的带宽变为0·6 nm;原来重叠在一起的谱线现在可以明显地分辨开,得到了比光栅光谱仪更为理想的效果。
另外,采用级联结构[8,9],同时增加声光相互作用长度,可以使谱线的3 dB带宽下降到0·8 nm以下。这样,除了一般的光谱测量之外,还可用它来进行波分复用器网络中各信道的频谱分析。
采用宽带设计的叉指换能器可以进一步拓宽集成光学声光可调谐滤波器光谱仪的光谱测量调谐范围,还可以在同一个基片上制作几个调谐范围不同的集成光学声光可调谐滤波器,制成可以测量从紫外到中红外较大光谱范围的光谱仪,扩大它的应用范围。
5 结 论
本文所讨论的这种基于集成光学声光可调谐滤波器的近红外光谱仪比以光栅和体声光可调谐滤波器作为分光元件的光谱仪在性能方面有了很大的改善,而且它所具有的全固态、小巧紧凑、无任何机械传动和调节机构以及光谱扫描速度快、光能量利用率高等突出的优点使得它非常适用于网络中各信道的频谱分析。
参考文献
1 M. Hühne, U. Eschenauer, H. W. Siesler. Performance andselected applications of an acousto-optic tunable filter near-infraredspectrometer [J].Applied Spectroscopy,1995,49(2):177~180
2 A. Norman Mortensen, Stephen A. Dyer, Robert M. Hammakeret al..A hadamard-multiplexed spectrometer based on an acousto-optic tunable filter [J].IEEE Transaction on Instrumentation andMeasurement,1996,45(2):394~398
3 David P. Baldwin, DaNIel S. Zamzow, Apthur P. D’Silva. High-resolution spectroscopy using an acousto-optic tunable filter and afiber-optic Fabry-Perot interferometer [J].Applied Spectroscopy,1996,50(4):498~503
4 Xue Ting, Qi Fang, Hu Hongzhanget al..Development ofintegrated optical acoustooptic tunable wavelength filter [J].ActaOptica Sinica,2000,20(8):1095~1099
薛 挺,祁 芳,胡鸿璋等·集成光学声光可调谐波长滤波器的研制[J]·光学学报,2000,20(8):1095~1099
5 Hu Hongzhang, Ling Shide. Principle of Applied Optics [M].Beijing: Mechanical Industry Publishing House, 1993
胡鸿璋,凌世德·应用光学原理[M]·北京:机械工业出版社,1993
6 H. Z. Hu, H. Y. Lin, J. S. Yanget al..An integrated quasi-collinear coupled acoustooptical mode converter [ J ].Opt.Commun.,2002,208(1~3):79~83
7 E. O. Brigham. The Fast Fourier Transform [M]. Shanghai:Shanghai Science and Technology Publishing House, 1979
E. O.布朗汉姆·快速傅里叶变换[M]·上海:上海科学技术出版社,1979
8 D. A. Smith, J. J. Johnson, B. L. Heffneret al..Two-stageintegrated-optic acoustically tunable optical filter with enhancedsidelobe suppression [J].Electron. Lett.,1989,25(6):398~399
9 F. Tian, Ch. Harizi, H. Herrmannet al..Polarization-independent integrated optical, acoustically tunable double-stagewavelength filter in LiNbO3[J].J. Lightwave Technol.,1994,12(7):1192~1197
作者简介:肖立峰(1979—),男,山东莱阳人,天津大学理学院应用物理系硕士研究生,现主要从事集成光电子学研究。
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