第十九講光纖中的聲光模式轉(zhuǎn)換

1、第十九講第十九講 光纖中的聲光模式轉(zhuǎn)換光纖中的聲光模式轉(zhuǎn)換 Acousto-Optic Tunable Filters (AOTF) 光纖聲光模式轉(zhuǎn)換原理光纖聲光模式轉(zhuǎn)換原理 幾種幾種類型的類型的光纖聲光器件光纖聲光器件 基于單模光纖的聲光濾波器基于單模光纖的聲光濾波器 利用波導(dǎo)色散壓窄濾波帶寬利用波導(dǎo)色散壓窄濾波帶寬 利用刻蝕方法實(shí)現(xiàn)寬帶濾波利用刻蝕方法實(shí)現(xiàn)寬帶濾波 多級串連實(shí)現(xiàn)動態(tài)均衡濾波器多級串連實(shí)現(xiàn)動態(tài)均衡濾波器 級連聲光模式耦合級連聲光模式耦合21400150016000.00.51.0LP14LP13LP12Transmissino (a.u.)Wavelength (nm)LP1

2、1 反對稱分布的撓行波 從 LP01到反對稱的LP1n 帶阻型濾波特性 Acoust-optic tunable filters (AOTF) 一、光纖聲光模式轉(zhuǎn)換原理一、光纖聲光模式轉(zhuǎn)換原理+與光纖系統(tǒng)兼容，與光纖系統(tǒng)兼容，插入損耗低插入損耗低+造價低造價低+調(diào)諧范圍寬調(diào)諧范圍寬+功耗低功耗低+可以動態(tài)控制可以動態(tài)控制聲波作用下的模式耦合聲波作用下的模式耦合一、光纖聲光模式轉(zhuǎn)換原理一、光纖聲光模式轉(zhuǎn)換原理基本物理描述基本物理描述00AeidzdBBeidzdAziozio 撓行聲波撓行聲波等效折射率微擾（光纖光柵）等效折射率微擾（光纖光柵） 耦合模式：耦合模式：LP01LP11 （光纖光柵中

3、：（光纖光柵中： LP01LP02 ） 行波聲波行波聲波頻移頻移 相位匹配條件相位匹配條件與波長相關(guān)，動態(tài)可調(diào)與波長相關(guān)，動態(tài)可調(diào)取決于光波模場之間和聲波與光波模場之間的交疊程度取決于光波模場之間和聲波與光波模場之間的交疊程度 1012BL0)(sin2/1220222020L1)(121101BLK2/1fRCextdxdyyxyxnyxA),(),(),(210yunyxn020)2)(1 (),(一、光纖聲光模式轉(zhuǎn)換原理一、光纖聲光模式轉(zhuǎn)換原理耦合效率耦合效率彈光系數(shù)彈光系數(shù)相位匹配條件相位匹配條件BL光波模式之間的拍長光波模式之間的拍長聲波波長聲波波長或或聲波模式耦合過程伴隨的移頻聲波

4、模式耦合過程伴隨的移頻一、光纖聲光模式轉(zhuǎn)換原理一、光纖聲光模式轉(zhuǎn)換原理從LP01模到LP11模，聲波與光波同向，下移頻；從LP01模到LP11模，聲波與光波反向，上移頻；二、二、幾種幾種類型的類型的光纖聲光器件光纖聲光器件 采用不同類型的光纖采用不同類型的光纖 Based on Various Fibers 單模光纖單模光纖 Single Mode Fibers LP01-LP1nclad 雙模光纖雙模光纖 Double Mode Fibers LP01-LP11core 雙折射光纖雙折射光纖 Birefringent Fibers 采用熔融光纖采用熔融光纖 Based on Fused Fi

5、bers 拉錐光纖拉錐光纖 Tapered Fibers 零耦合器零耦合器 Null Couplers二、二、幾種幾種類型的類型的光纖聲光器件光纖聲光器件Tapered Fiber二、二、幾種幾種類型的類型的光纖聲光器件光纖聲光器件Null CouplerFiltering Based onDouble modefibersSingle modefibersTapered fibers Null couplersConversion modesLP01-LP11LP01-LP11cladLP01clad-LP11cladLP01clad-LP11cladOverlap betweenoptic

6、al modesLargeSmallLargeLargeOverlap betweenoptical mode andacoustic modeSmallSmallLargeLargeCoupling efficiencyMiddleSmallLargeLargeInteractive lengthrequiredLongLongShortShortFilter bandwidthNarrowNarrowWideWideType of filteringBand notch& Band passBand notchBand notchBand notch& Band pass二

7、、二、幾種幾種類型的類型的光纖聲光器件光纖聲光器件幾種光纖聲光器件的比較幾種光纖聲光器件的比較14201440146014801500152015401560158016001620-16-12-8-40LP01-LP13LP01-LP12LP01-LP11 Transmission rate (dB)Wavelength (nm)fa=2569kHz Vp-p=13.5V L=40cm T=1nm/5kHz 三、基于單模光纖的聲光器件三、基于單模光纖的聲光器件r ( m) n4.150.33包層匹配單模光纖包層匹配單模光纖 （MC）: Core diameter a=8.3 m Index

8、difference =0.33帶阻濾波器帶阻濾波器246810120.00.20.40.60.8Coupling RatioVoltage Applied on PZT (Vp-p) 1556nm L 40cm f 2.7MHz LP01 -LP13)(sin2/1220222020LdxdyyxyxnyxA),(),(),(210三、基于單模光纖的聲光器件三、基于單模光纖的聲光器件調(diào)制特性調(diào)制特性NLLB8 . 0BBLLN三、基于單模光纖的聲光器件三、基于單模光纖的聲光器件（FWHM)帶寬特性帶寬特性101BLN 1012BL色散參數(shù)色散參數(shù)主要取決于波導(dǎo)色散主要取決于波導(dǎo)色散NffT1

9、21483 1484 1485 1486 1487 1488 1489 1490 1491 1492 1493-15-12-9-6-303Transmission Ratio (dB)Wavelength (nm)調(diào)諧速率調(diào)諧速率可以通過調(diào)諧速率求色散參數(shù)可以通過調(diào)諧速率求色散參數(shù)MC Fiber (LP01-LP11) )(101nBLNTo lower the bandwidth: Longer the fiber length L, limited by the physical fiber length and the attenuation of the acoustic wave;

10、 Shorter the beat length LB , thus shorter , higher f, High frequency flexural wave is ineffective; Lager the dispersion N, 01 and 1n have nearly material dispersion, so the waveguide dispersion is the main factor that affects the value of N. 三、基于單模光纖的聲光器件三、基于單模光纖的聲光器件利用波導(dǎo)色散壓窄濾波帶寬利用波導(dǎo)色散壓窄濾波帶寬NLLB8 .

11、 0r(m)0.00384-0.015r(m)0.031.4480.002三、基于單模光纖的聲光器件三、基于單模光纖的聲光器件15881589159015911592159315941595159615971598-15-12-9-6-303Transmission (dB)Wavelength (nm)14831484148514861487148814891490149114921493-15-12-9-6-303Transmission (dB)Wavelength (nm)MC Fiber (LP01-LP11) Acoustic Frequency f=2577kHz Wavelen

12、gth Tuning Rate T=0.159nm/kHz FWHM Bandwidth 1.1nm DC Fiber (LP01-LP13 )Acoustic Frequency f=1606kHz Wavelength Tuning Rate T=0.089nm/kHz FWHM Bandwidth 0.55nm020406080100120140-1.0-0.50.00.51.01.52.02.5Wavelength=1550 nm LP01-LP11 LP01-LP12 LP01-LP13Dispersion paramter NDiameter 2b (m)1200130014001

13、5001600-16-14-12-10-8-6-4-202b=21m L=2.2cmf=1.0369MHz Vpp=4.7VBW-3dB=362nmTransmission Ratio (dB)Wavelength (nm)三、基于單模光纖的聲光器件三、基于單模光纖的聲光器件NLLB8 . 0利用刻蝕方法實(shí)現(xiàn)寬帶濾波利用刻蝕方法實(shí)現(xiàn)寬帶濾波刻蝕光纖RF Signal輸入光普通單模光纖聲波多級串連實(shí)現(xiàn)動態(tài)均衡濾波器多級串連實(shí)現(xiàn)動態(tài)均衡濾波器三、基于單模光纖的聲光器件三、基于單模光纖的聲光器件三、基于單模光纖的聲光器件三、基于單模光纖的聲光器件動態(tài)增益均衡濾波器動態(tài)增益均衡濾波器18諧振級聯(lián)模式耦

14、合諧振級聯(lián)模式耦合f (MHz) Thoery： 0.644 1.035 1.644LP01LP11LP21LP02 Exp.： 0.641 1.014 1.654f1 f2 f2兩個聲波同時加在同一段聲光作用區(qū)，兩個耦兩個聲波同時加在同一段聲光作用區(qū)，兩個耦合過程的合過程的“級連級連”，不是空間上的串連。，不是空間上的串連。施加兩個不同頻率的聲波，分別滿足施加兩個不同頻率的聲波，分別滿足相位匹配條件，稱為諧振級聯(lián)耦合。相位匹配條件，稱為諧振級聯(lián)耦合。四、級聯(lián)聲光模式耦合四、級聯(lián)聲光模式耦合19非諧振級聯(lián)模式耦合和簡并模式耦合非諧振級聯(lián)模式耦合和簡并模式耦合0111111212120KK012

15、11212KK 12KK12KK 只要施加單一頻率聲波，如果該聲波滿足總體相位匹配條件，只要施加單一頻率聲波，如果該聲波滿足總體相位匹配條件，就可以得到從就可以得到從LP01 到到LP1n 以外其它高階模式的耦合。以外其它高階模式的耦合。12001400160050010001500LP01-LP02LP01-LP21LP01-LP03LP01-LP22LP01-LP11Frequency (kHz)Center Wavelength (nm)123456LP11四、級聯(lián)聲光模式耦合四、級聯(lián)聲光模式耦合200.00 0.25 0.50 0.00.51.0 LP01Normalized Powe

16、r (a.u)LP11 z0.0 0.5 1.0 LP11LP21 zLP01單模光纖中三種模式耦合的比較單模光纖中三種模式耦合的比較 要求的聲波頻率低于要求的聲波頻率低于f01-11 在短于在短于LP01-LP11的波長處獲得濾波峰的波長處獲得濾波峰Regular Resonant CascadedDegenerate CascadedMismatchingCoupling CoefficientAcoustic Frequency/(2 )L120120122/(2)L12/ L0f122fff12,ff0.0 0.5 1.0 LP11LP21 zLP01四、級聯(lián)聲光模式耦合四、級聯(lián)聲光模式耦合21可能的應(yīng)用可能的應(yīng)用帶通聲光可調(diào)濾波器帶通聲光可調(diào)濾波器 LP01LP11(broad)LP22(narrow)LP11