李世國,張靜雯,吳中超,申向偉,陳永峰,王大貴,令狐梅傲

(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(AOM)[1-9]以高消光比、高溫度穩(wěn)定性及天然的移頻特性,成為許多光纖傳感系統(tǒng)的核心器件,隨著光纖傳感系統(tǒng)應(yīng)用的不斷發(fā)展,對(duì)微弱信號(hào)探測能力的需求不斷提升,要求進(jìn)一步降低系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲,傳統(tǒng)方式上,一般采用單個(gè)AOM,通斷消光比為50～60 dB,對(duì)噪聲的抑制已不能滿足需要,本文提出一種雙器件級(jí)聯(lián)方案,實(shí)現(xiàn)超高的消光比,經(jīng)系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證,能提升系統(tǒng)探測信號(hào)的能力。

1 聲光調(diào)制器的原理

聲光調(diào)制器由器件和驅(qū)動(dòng)電源組成,器件內(nèi)部由聲光晶體、匹配網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,主要利用聲光互作用的基本原理,驅(qū)動(dòng)電源輸出的射頻電信號(hào)經(jīng)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)施加到聲光晶體的壓電換能器上,壓電換能器將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波在聲光晶體內(nèi)傳播,形成折射率光柵,當(dāng)激光以一定角度通過時(shí)即發(fā)生布喇格衍射,如圖1所示。

圖1 聲光調(diào)制的基本原理

通過調(diào)制電信號(hào)的輸出功率達(dá)到調(diào)制光信號(hào)幅度的目的,被調(diào)制的射頻信號(hào)包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)一致,實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)波形的任意調(diào)制。

聲光調(diào)制器的移頻功能是聲光器件發(fā)生布喇格衍射效應(yīng)的根因是光子與聲子相互作用產(chǎn)生一個(gè)新的光子的過程,光子與聲子之間的散射遵循能量守恒定律:

hωd=hωi±hΩ

(1)

式中:h=6.626 10-34J ·s為普朗克常量;ωd為衍射光的角頻率;ωi為入射光的角頻率;Ω為聲場的角頻率。由式(1)可見,只要發(fā)生了衍射,一定會(huì)產(chǎn)生移頻。因此,聲光移頻是聲光器件的基本特性。

2 弱信號(hào)探測需求

無論是以φ-OTDR為代表的分布式光纖傳感系統(tǒng)還是相干體制的激光測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng),都是利用返回光與本征光的干涉,以獲取信號(hào)特征,在相干探測系統(tǒng)中,返回光信號(hào)相對(duì)主信號(hào)衰減極大,通常采用提高光脈沖信號(hào)消光比、單脈沖能量和調(diào)制速度來提升系統(tǒng)探測能力。3種光調(diào)制器件的性能對(duì)比如表1所示。

表1 3種光調(diào)制器的性能對(duì)比

由表1可見,EOM的調(diào)制速度快,但若想充分發(fā)揮EOM的性能,必須解決工作點(diǎn)的漂移問題,因此復(fù)雜的反饋控制電路成為難點(diǎn)。SOA具有很好的性能,特別是自帶增益功能,在光纖傳感系統(tǒng)中采用越來越多,但其耐功率能力較低,其性能的發(fā)揮依賴高精度的控制電路。常規(guī)情況下,由于所需脈寬較窄,要求提升AOM的工作頻率以解決高速調(diào)制的問題,這將增大AOM的插損。如果能解決AOM插損與調(diào)制速度的矛盾,以及AOM體積較大的缺點(diǎn),結(jié)合AOM天然的移頻特性和高溫度穩(wěn)定性的特點(diǎn),可為光纖傳感系統(tǒng)帶來新的性能提升。

3 AOM級(jí)聯(lián)方案

圖2為本文提出的AOM級(jí)聯(lián)方案。AOM級(jí)聯(lián)方案有以下優(yōu)點(diǎn):

圖2 AOM級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)方案框圖

1) 實(shí)現(xiàn)AOM級(jí)聯(lián)情況下超高的消光比。

2) 差頻可控。利用AOM移頻存在正、負(fù)方向的特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制下的低移頻頻率,解決因高速調(diào)制需高頻工作帶來的信號(hào)處理難問題。

3) 2個(gè)AOM級(jí)聯(lián)可提高調(diào)頻帶寬。

該方案的脈沖調(diào)制示意圖如圖3所示。前、后兩個(gè)調(diào)制脈沖在串聯(lián)情況下輸出的是2個(gè)光脈沖的交集部分(前后2個(gè)AOM調(diào)制脈沖的交集)。本文搭建了一套光路系統(tǒng)(見圖4)驗(yàn)證上述分析。在示波器上獲得的光脈沖波形如圖5所示。

圖3 AOM級(jí)聯(lián)方案的脈沖調(diào)制示意圖

圖4 AOM光脈沖測試圖

圖5 不同AOM輸出的光脈沖和2個(gè)AOM串聯(lián)得到的光脈沖

由圖5(a)可見,2個(gè)AOM的光脈沖延時(shí)(光脈沖相對(duì)觸發(fā)信號(hào)的延遲時(shí)間)差異較大。圖5(b)驗(yàn)證了AOM級(jí)聯(lián)下調(diào)制輸出的光脈沖是2個(gè)AOM調(diào)制脈沖的交集。2個(gè)AOM串聯(lián)時(shí)使用的光纖長度也會(huì)改變光脈沖延時(shí),因此,實(shí)際得到的光脈沖寬度與交集有差異。

采用2個(gè)AOM級(jí)聯(lián)將增大插損、體積和功耗。由于每個(gè)AOM的觸發(fā)延遲時(shí)間不同,還將導(dǎo)致脈沖不同步問題。因此,本文采用高性能AOM設(shè)計(jì)、微型化封裝及延時(shí)獨(dú)立控制等方法研制出一款A(yù)OM級(jí)聯(lián)模塊,并引入了時(shí)鐘同源設(shè)計(jì)理念,將該模塊的性能充分發(fā)揮出來。圖6為本文AOM級(jí)聯(lián)模塊實(shí)物圖。

圖6 AOM級(jí)聯(lián)模塊實(shí)物圖

4 級(jí)聯(lián)模塊的性能測試

根據(jù)設(shè)計(jì)要求分別測試該級(jí)聯(lián)模塊的脈沖延時(shí)同步、時(shí)鐘同源功能。采用工作波長為1 550 nm的光源測得其工作頻率為80 MHz,插入損耗為5.4 dB,消光比>100 dB。

4.1 脈沖延時(shí)同步功能

圖7為搭建的聲光級(jí)聯(lián)模塊性能測試光路。圖中,信號(hào)源型號(hào)是泰克AFG3252C,信號(hào)源產(chǎn)生10 kHz/400 ns寬度的TTL調(diào)制信號(hào),通過射頻線與模塊的調(diào)制輸入端連接,信號(hào)源的同步輸出信號(hào)與數(shù)字示波器連接,并設(shè)置為觸發(fā)源。首先測試延遲同步功能,在未調(diào)整延時(shí)的情況下,通過2個(gè)串聯(lián)的AOM后輸出的光脈沖寬度小于400 ns,甚至沒有輸出。調(diào)整模塊內(nèi)部的延時(shí)后,實(shí)現(xiàn)輸出光脈沖寬度與調(diào)制信號(hào)的寬度基本一致,達(dá)到延時(shí)同步的目的,如圖8所示。由圖可看出,獲得的脈沖寬度為390 ns,說明兩路AOM的延時(shí)一致。

圖7 聲光級(jí)聯(lián)模塊性能測試框圖

4.2 時(shí)鐘同源功能

時(shí)鐘同源功能的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在光脈沖時(shí)域穩(wěn)定性及差頻信號(hào)相位穩(wěn)定性上,首先測試光脈沖時(shí)域穩(wěn)定度。修改圖7信號(hào)源產(chǎn)生兩路信號(hào):

1) 20 MHz的方波信號(hào),高電平為2 V,低電平為0,該信號(hào)與模塊的時(shí)鐘輸入接頭連接。

2) 10 kHz的調(diào)制信號(hào),高電平為2 V,低電平為0。

為了使測試結(jié)果更清晰,設(shè)置脈沖寬度為50 ns,該信號(hào)與模塊的調(diào)制輸入接頭連接,搭建的光路圖如圖9所示。

圖9 光脈沖時(shí)域穩(wěn)定度測試框圖

SGD320/N240-1550-D01-2Y20型聲光級(jí)聯(lián)模塊具有內(nèi)外時(shí)鐘自動(dòng)切換功能,測試時(shí)只需控制信號(hào)源輸出的20 MHz時(shí)鐘信號(hào)的開關(guān)即可獲取兩種狀態(tài)的對(duì)比結(jié)果,如圖10所示。

圖10 分離時(shí)鐘及統(tǒng)一時(shí)鐘時(shí)輸出的光脈沖

圖10(a)中ΔTd+ΔTw是3.6 ns,圖10(b)中ΔTd+ΔTw是1.8 ns。由圖10可看出,采用時(shí)鐘同源后示波器記錄的光脈沖波形更穩(wěn)定。

差頻信號(hào)相位穩(wěn)定性的測試搭建的干涉光路框圖如圖11所示。光源采用RIO的1 550 nm窄線寬激光器,經(jīng)偏振耦合器后分成兩束,其中一路與聲光級(jí)聯(lián)模塊連接,兩路信號(hào)再與偏振耦合器連接,組成M-Z干涉光路,干涉信號(hào)通過平衡探測器(BPD)與數(shù)字示波器連接,信號(hào)源的信號(hào)按圖9方式加載,其中調(diào)制信號(hào)的寬度設(shè)為200 ns。

圖11 差頻信號(hào)相位穩(wěn)定性測試框圖

圖12為示波器上兩種時(shí)鐘狀態(tài)的信號(hào)干涉結(jié)果。示波器設(shè)置為余輝模式,時(shí)間為0.5 s。

由圖12(a)可看出,分離時(shí)鐘輸出干涉圖的初相位不穩(wěn)定,處于隨機(jī)變化狀態(tài)。由圖12(b)可看出,采用統(tǒng)一時(shí)鐘后,兩路信號(hào)的干涉圖相對(duì)穩(wěn)定,說明兩路信號(hào)的相位基本穩(wěn)定,即使干涉相位發(fā)生變化,也是連續(xù)狀態(tài)。

5 結(jié)束語

本文提出了一種雙AOM級(jí)聯(lián)的方案,該方案除能實(shí)現(xiàn)超高的消光比外,還可實(shí)現(xiàn)低頻移下的高速調(diào)制,解決了高速調(diào)制需高頻工作而信號(hào)處理難的矛盾。通過對(duì)兩路AOM設(shè)計(jì)獨(dú)立延時(shí)控制及時(shí)鐘同源功能,充分發(fā)揮了級(jí)聯(lián)模塊的性能。通過測試驗(yàn)證達(dá)到了預(yù)期目的,對(duì)光纖傳感系統(tǒng)性能的提升有一定的促進(jìn)作用。