一种基于集成光学声光可调谐波器的红外光谱仪刘康2012202120048.doc

一种基于集成光学声光可调谐滤波器的近红外光谱仪 介绍 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) 。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 （1） 其中为声光耦合系数，L为声光相互作用长度，由下式给出 （2） 式中，这里 和分别是TM模和TE模的有效折射率，和为声波的频率和相速。适当调整声波强度，使得=，在满足位相匹配条件，即时，，达到最大值，此时，透射的峰值波长满足 （3） 如果波长偏离位相匹配条件，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，则透过光强随声频的变化是和由（1）式所表示的点扩散函数的卷积，这里是将（3）式代入所得的函数。亦即 （4） 因此，可以从测得的和点扩散函数的逆卷积得到。 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 （5） 将（3）式代入（5）式，即可得到分辨本领 （6） 式中 （ ，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1.523um 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 ，插入损耗小于一4 dB，3dB带宽1.6 nm，一级侧瓣抑制达到一9 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l6 MHz，按照每l 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