申向偉，王智林，吳 畏，吳中超，王大貴，朱 吉，陳永峰，何曉亮

(中國電子科技集團(tuán)公司 第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

光纖聲光調(diào)制器(FAOM)[1-8]通過聲光互作用實(shí)現(xiàn)對光調(diào)制及移頻等作用，被廣泛應(yīng)用于光纖激光器、光纖傳感及冷原子等領(lǐng)域。傳統(tǒng)FAOM由分離的驅(qū)動器和器件組成[9]，整體尺寸和功耗較高，且不能滿足光纖激光器、激光測風(fēng)雷達(dá)及光纖分布式傳感等系統(tǒng)小型化、集成化對FAOM小體積、低功耗的需求。本文將傳統(tǒng)FAOM器件典型尺寸67 mm×23 mm×10 mm，驅(qū)動器尺寸110 mm×80 mm×28 mm，電功耗15 W，通過集成化、低功耗及合理的熱設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了器件和驅(qū)動器一體化，整體尺寸和功耗典型值分別為59.56 mm×49.48 mm×14.6 mm和0.72 W(脈沖)，在小型化光纖激光器系統(tǒng)、光纖傳感系統(tǒng)及相干激光測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)中具有很好的應(yīng)用前景。

1 原理

FAOM主要由驅(qū)動器和器件兩部分組成。驅(qū)動器主要由振蕩電路、調(diào)制電路、小信號放大電路及功率放大電路等組成，器件主要由阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、聲光晶體及光纖耦合系統(tǒng)等組成。圖1為光纖聲光調(diào)制器工作原理。

圖1 光纖聲光調(diào)制器工作原理

驅(qū)動器輸出的載波功率信號作用在換能器上，激發(fā)超聲波耦合入聲光互作用介質(zhì)，在介質(zhì)中產(chǎn)生折射率光柵，入射光經(jīng)光纖準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后進(jìn)入聲光互作用介質(zhì)時發(fā)生衍射，衍射光的頻率為輸入光頻率和超聲波頻率的疊加，實(shí)現(xiàn)了聲光移頻，衍射光再通過輸出端光纖準(zhǔn)直器耦合進(jìn)光纖。利用外部調(diào)制信號改變驅(qū)動器載波功率信號的幅度，就可以控制聲光互作用介質(zhì)中聲場的強(qiáng)度，從而控制衍射光的光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)光幅度調(diào)制。

2 設(shè)計(jì)

本文從器件和驅(qū)動電路一體化、低功耗和散熱三方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終得到性能可靠的一體化低功耗產(chǎn)品。一體化FAOM的器件和驅(qū)動電路處于一個金屬外殼中，而傳統(tǒng)FAOM的器件和驅(qū)動電路分別處于不同的金屬外殼中，一體化FAOM的產(chǎn)品組成如圖2所示。

圖2 一體化FAOM組成

2.1 一體化設(shè)計(jì)

一體化(小型化)設(shè)計(jì)包含器件和驅(qū)動電路兩方面。器件一體化、小型化主要從三方面設(shè)計(jì)：減小光纖準(zhǔn)直器工作距離，在滿足通斷消光比要求的前提下，盡量減小光纖準(zhǔn)直器的工作距離。減小晶體厚度，在滿足聲光互作用寬度的情況下，盡量減小晶體厚度，降低空間占用。阻抗匹配電路和驅(qū)動電路集成，器件阻抗匹配電路集成到驅(qū)動電路中，同時全部采用小體積封裝元件進(jìn)行匹配。

驅(qū)動電路一體化設(shè)計(jì)方面，傳統(tǒng)驅(qū)動電路原理框圖如圖3所示，其電路調(diào)試簡單，開關(guān)比高，但體積和功耗(6 W)較大。

圖3 傳統(tǒng)驅(qū)動電路原理框圖

為得到小體積和低功耗的FAOM，驅(qū)動電路在滿足指標(biāo)情況下進(jìn)行方案優(yōu)化，設(shè)計(jì)了振蕩電路和一級功率放大的方案，由振蕩電路、整形電路、功率放大電路及電源模塊等組成。使用高效功率放大器進(jìn)行基極開關(guān)調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)脈沖調(diào)制功能，功率放大器同時具有放大和調(diào)制功能，功率放大器選用高速和輸入耦合電容小的LDMOS管，能滿足光脈沖的上升下降時間以及開關(guān)比要求；振蕩電路為100 MHz方波信號，輸出15 dBm，功率放大器增益為20 dB@100MHz，最大輸出可達(dá)35 dBm(3.16 W)，器件實(shí)際需要功率為2.3 W，所以采用一級功率放大可滿足指標(biāo)要求，一體化驅(qū)動電路從電路結(jié)構(gòu)上減小了開關(guān)調(diào)制電路、小信號放大電路及電源模塊2，原理框圖如圖4所示，從而減肥小了一體化驅(qū)動電路的體積和功耗。

圖4 一體化驅(qū)動電路原理框圖

通過優(yōu)化印制電路板(PCB)的布局布線，并對驅(qū)動電路的信號完整性及性能可靠性等方面進(jìn)行軟件仿真，通過仿真指導(dǎo)布局布線，最終實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電路一體化設(shè)計(jì)。

2.2 低功耗設(shè)計(jì)

低功耗設(shè)計(jì)包含器件和驅(qū)動電路兩方面。器件低功耗從提高晶體衍射效率和減小換能器損耗出發(fā)。提高晶體衍射效率設(shè)計(jì)見文獻(xiàn)[9]，著重介紹了減小換能器損耗設(shè)計(jì)。FAOM換能器的鍵合膜系結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 聲光晶體鍵合膜系結(jié)構(gòu)

頂電極層位于壓電換能器上表面，是換能器的射頻輸入電極。底電極層位于聲光介質(zhì)與換能器之間,由兩層襯底層和一層鍵合層組成。底電極層既是聲學(xué)增透層，又充當(dāng)換能器接地電極，因此材料的選擇除滿足阻抗匹配外，還必須具有良好的導(dǎo)電性。

聲光晶體換能器工作在厚度驅(qū)動模式，聲場從換能器到聲光介質(zhì)的耦合效率由換能器損耗(TL)來表征，它取決于各聲學(xué)層材料的聲阻抗(Zn)、面積(Sn)、相移(γn)和器件的工作頻率(f)，與各聲學(xué)層材料聲速(vn)、密度(ρn)和厚度(ln)有關(guān)。定義各聲學(xué)層聲阻抗為

Zn=Snρnvn

(1)

定義各聲學(xué)層相移為

(2)

通過等效電路網(wǎng)絡(luò)傳遞矩陣函數(shù)建立鍵合膜系仿真模型，利用瑪森等效電路模頂電極層和換能器的聲學(xué)傳遞特性(A0)及傳輸線網(wǎng)絡(luò)矩陣模底電極層聲學(xué)傳遞特性(A4～A6)，并將聲光晶體考慮為負(fù)載(Z7)，得到鍵合膜系等效電路模型如圖6所示。

圖6 鍵合膜系等效電路模型

通過An描述各等效電路部分傳遞矩陣：

(3)

式中C1～C4為傳遞矩陣修正系數(shù)。光纖聲光高速調(diào)制器鍵合膜系等效電路網(wǎng)絡(luò)總傳遞矩陣A為

(4)

TL=-10lg(P1/P2)=-10·

(5)

式中：P1為耦合入聲光介質(zhì)的聲功率；P2為驅(qū)動器提供的電功率；Rs為驅(qū)動電源的內(nèi)阻。

通過Matlab編程對工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可得到工作頻率100 MHz、換能器損耗最小時各膜層厚度，仿真曲線如圖7所示。

圖7 本文產(chǎn)品的TL-f對應(yīng)關(guān)系

驅(qū)動器低功耗設(shè)計(jì)方面，在滿足聲光器件插入損耗前提下，盡量減小驅(qū)動電路的輸出功率，達(dá)到降低驅(qū)動電路總體功耗的目的：

1) 通過優(yōu)化振蕩電路，傳統(tǒng)采用電容三點(diǎn)式振蕩電路來實(shí)現(xiàn)信號產(chǎn)生，電容三點(diǎn)式振蕩電路包括時發(fā)射極耦合電路(ECL)高速電路，其功耗較大，本文采用了溫補(bǔ)晶振產(chǎn)生振蕩信號，體積、功耗較小且輸出功率較大(15 dBm)，減小了后級功率放大的壓力，采用一級功率放大器能滿足聲光器件的功率需求，振蕩電路部分功耗比原來減小了86.7%。

2) 采用新型高效功率放大器為放大模塊，利用Protel和ADS電路設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化放大器的輸入輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)高效放大，利用放大器基極調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)脈沖調(diào)制功能，使放大器同時具有放大和調(diào)制功能，原驅(qū)動電路的靜態(tài)工作點(diǎn)在脈沖開或關(guān)狀態(tài)時電壓恒定，導(dǎo)致放大器放大效率較低(僅為30%)，而一體化驅(qū)動電路的靜態(tài)工作點(diǎn)僅在脈沖開狀態(tài)時電壓恒定，脈沖關(guān)狀態(tài)時靜態(tài)工作點(diǎn)電壓為0，同時脈沖關(guān)狀態(tài)的時間高達(dá)90%，從而使放大器效率大于60%，通過采用基極調(diào)制方式，提高了放大器輸出效率，放大器部分功耗比原來減小了30%。

3) 減小和器件匹配損耗，在驅(qū)動電路和聲光器件的匹配設(shè)計(jì)中，先測試聲光晶體的S參數(shù)，并利用ADS仿真軟件指導(dǎo)驅(qū)動電路的輸出阻抗設(shè)計(jì)，使其直接與聲光晶體的輸入阻抗匹配，以減少驅(qū)動電路和聲光器件間的匹配損耗，通過實(shí)測數(shù)據(jù)，匹配電路功耗比原來減小了5%。

4) 提高電源模塊轉(zhuǎn)換效率。一體化驅(qū)動電路采用直流電壓(+12 V)供電，設(shè)計(jì)產(chǎn)品振蕩電路和整形電路的電壓為+5 V，選用高電源抑制比的DC/DC電源模塊，性能指標(biāo)接近線性電源模塊，其體積更小，效率高達(dá)85%，從而提高了電源模塊部分的轉(zhuǎn)換效率，通過實(shí)測數(shù)據(jù)，電源部分功耗比原來減小了50%。

2.3 散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在對FAOM產(chǎn)生熱耗進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)的外形結(jié)構(gòu)如圖8所示。對結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行熱仿真分析，通過熱仿真分析結(jié)果對散熱薄弱位置進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，多次仿真、優(yōu)化后得到最優(yōu)的外形結(jié)構(gòu)?？紤]到驅(qū)動電路發(fā)熱對晶體工作性能的影響，光路部分和電路部分采用分離式結(jié)構(gòu)，同時電路部分與金屬外殼間采用大面積接觸設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的傳導(dǎo)散熱能力。

圖8 一體化聲光調(diào)制器內(nèi)部和外形結(jié)構(gòu)

利用SOLIDWORKS軟件對聲光晶體在環(huán)境溫度70 ℃下工作時內(nèi)部溫場分布進(jìn)行分析，如圖9所示。

圖9 聲光晶體在70 ℃的內(nèi)部溫場分布

由圖9可以看出，晶體在70 ℃的環(huán)境溫度下工作，聲場吸收面是發(fā)熱最嚴(yán)重的區(qū)域，其次是壓電換能器部分。經(jīng)過分析，聲光晶體工作達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，聲場吸收面溫度約為87.2 ℃，換能器的溫度約為84.3 ℃，塊體與外殼接觸面溫度約為78.5 ℃。

對一體化驅(qū)動電路進(jìn)行了熱仿真分析。為簡化模型，略去射頻接插頭、蓋板，對主要的幾個發(fā)熱模塊、振蕩電路、電源模塊和功率放大器等進(jìn)行熱仿真分析，驅(qū)動電路熱分析模塊示意圖如圖10所示。驅(qū)動電路采用傳導(dǎo)方式進(jìn)行散熱，主要發(fā)熱元件的發(fā)熱量數(shù)據(jù)如表1所示。

圖10 驅(qū)動電路熱分析模塊示意圖

表1 驅(qū)動電路主要發(fā)熱元件功耗

經(jīng)過SOLIDWORKS熱仿真分析，驅(qū)動器在70 ℃穩(wěn)定環(huán)境下的熱分布如圖11所示。功率放大器溫度最高(約77 ℃)；電源模塊溫度約為76 ℃。功率放大器、電源模塊等元器件的溫度范圍均為-40～ 85 ℃，熱仿真分析顯示,其最高溫度均在其正常工作范圍內(nèi)，能滿足要求。驅(qū)動電路的其他部分元器件(如表貼電阻、電容、電感等)選用的溫度范圍為-40～85 ℃。

圖11 驅(qū)動電路熱分析模型

3 研制結(jié)果

基于以上的設(shè)計(jì)，本文研制出了一種一體化FAOM，實(shí)物如圖12所示。

圖12 一體化FAOM實(shí)物圖

采用經(jīng)過計(jì)量的游標(biāo)卡尺、1 550 nm窄線寬激光器、光電探測器、示波器、光功率計(jì)測試了其性能參數(shù)。該FAOM整體尺寸為59.56 mm×49.48 mm×14.6 mm，插入損耗為1.53 dB，消光比為54.86 dB，光脈沖上升時間為16.7 ns，光脈沖延時抖動為1.5 ns。我們采用熱成像儀對其常溫(24 ℃)工作進(jìn)行溫度測試，測試結(jié)果如圖13所示。由圖可看出，功率放大器部分溫度最高(約27.3 ℃)，比室溫時溫度增加了3.3 ℃，實(shí)測和熱仿真分析結(jié)果基本一致。

圖13 等幅工作狀態(tài)下熱成像儀圖片(帶散熱片)

4 結(jié)束語

本文重點(diǎn)介紹了一體化FAOM的原理、設(shè)計(jì)方法及研制結(jié)果。所研制的一體化FAOM具有體積小，功耗低，消光比高及插入損耗低等優(yōu)點(diǎn)。采用這種低功耗、小體積的一體化FAOM對降低光纖激光器、激光測風(fēng)雷達(dá)及分布式光纖傳感等系統(tǒng)的尺寸和功耗具有較大的促進(jìn)作用。