1 引言

集成光学声光可调谐滤波器(AOTF)具有调谐速度快、调谐范围宽、易与光纤系统集成等优点,广泛应用于当代生产科研中^[1]。滤波带宽和侧瓣高度是评价AOTF性能的主要参数。传统的AOTF沿光波导方向的横电/横磁(TE/TM)模的双折射率分布是均匀的,声波振幅也是均匀的,高达-9 dB的侧瓣会引起密集波分复用系统中信道间的串音,严重损害了AOTF的性能。因此,如何降低侧瓣高度AOTF研制过程中的关键问题。

2 产生侧瓣的理论分析

AOTF的结构图如图1所示。其中,AOTF的核心是TE/TM转换器。

图 1. AOTF的结构图

Fig. 1. Structure diagram of AOTF

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假设A_TE(y)和A_TM(y)分别是TE和TM模的复振幅。当存在声波时,TE/TM模会互相耦合,A_TE(y)和A_TM(y)满足的耦合模方程^[2]为

ddyATE(y)=iκATM(y)exp(iβTMyddyATM(y)=iκATE(y)exp(-iβTEy,(1)

式中:κ为耦合系数,其大小主要取决于品质因数M和声波强度;y为耦合长度;β_TE、β_TM分别为TE、TM模的轴向传播常数。设初始条件为A_TE(0)=1,A_TM(0)=0;设s= κ2+(Δβ/2)2,其中相位适配因子Δβ= βTE-βTM-2π/Λ,Λ为声波波长。当满足布拉格条件时,Δβ=0,转换效率T最大;适当调整声波强度,令此时T=100%,T可以表示为

T=sin2π21+ΔβLπ21+ΔβLπ2,(2)

式中:L为AOTF有效声光相互作用长度,L=16 mm。M=9.58×10^-15 kg·m^-2,声波驱动功率为47 mW,声波强度为1.13 W·m^-2。利用上述结构参数进行计算,AOTF的理论滤波特性曲线如图2所示。可以看出,主峰两侧的侧瓣是对称的,而且第一侧瓣的高度为-9.5 dB,这会导致密集波分复用系统中信道间出现串音,降低了系统的性能。

图 2. AOTF的理论滤波特性曲线

Fig. 2. Theoretical filtering characteristic curve of AOTF

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3 产生侧瓣的实验测量

实验装置如图3所示。采用波长范围为1520~1560 nm的AT-BBS-1550A型宽带光源,AOTF输入光经起偏器^[3-4]和偏振控制器后变为TE线偏振光^[5];利用美国泰克公司生产的Tektronix AFG3252高频信号发生器产生高频信号,由美国安捷伦科技有限公司生产的8347A射频放大器对信号进行放大,再将放大信号加载在器件上。采用日本横河公司生产的AQ6317C光谱仪进行观察与测量,其工作波长范围为600~1750 nm。

图 3. 实验装置图

Fig. 3. Experimental device diagram

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调节偏振控制器,使得AOTF输入光为TE线偏振光,调节高频信号频率及功率^[6],使滤波效果达到最佳,此时高频信号频率为173.4 MHz,幅值为650 mV。AOTF的实验滤波特性曲线如图4所示。可以看出,该AOTF的侧瓣高度约为-8 dB,带宽为2.186 nm,实验结果基本与理论计算值吻合。

图 4. AOTF的实验滤波特性曲线

Fig. 4. Experimental filter characteristic curve of AOTF

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4 分析与讨论

采用矢量图阐述侧瓣产生的物理机理,由(1)式可得

ATM=∫0Liκ*ATE(y)exp(-iΔβy)dy,(3)

式中κ^*表示κ的复数共轭。由图2可知,中心波长左右侧瓣处的转换效率与中心波长的转换效率相比很低,因此,A_TE只是随着y的变化而缓慢减小,可近似认为相等。将光波导在其长度方向上分成400个小单元,每个小单元长度Δy=0.04 mm,每个单元对A_TM(L)的贡献可以用一个矢量元^[7]ΔA_TM来表示,ΔA_TM=iκ^*A_TEexp(-iΔβy)Δy。另外,相邻两矢量元之间的夹角等于ΔβΔy。将所有矢量元相加,得到A_TM(L)。当输入光波长等于滤波中心波长(λ₀)时,所有矢量元的幅角相同,使得相加的总结果用矢量图表示为400个同长度、同方向矢量首尾相连的一条直线。当输入光波长等于滤波中心波长相邻第一波谷处波长(λ₀+Δλ₀)时,这些矢量元首尾相接,A_TM(L)=0。当输入光波长等于滤波中心波长相邻第一侧瓣处波长(λ₀+Δλ₁)时,矢量元首尾相接形成螺线的形状,螺线绕了一圈半,|A_TM(L)|又达到次极大。侧瓣产生的矢量图如图5所示。

降低侧瓣的方法主要有权重法^[8]和双折射法^[9]。在权重法中,声波沿光波导方向不再呈均匀分布。权重法的缺陷是,当波导长度不变时,滤出带宽会增大;反之,采用多级串联^[10]改变波导长度,虽然能使滤波带宽和侧瓣高度明显改善,但转换效率、驱动功率和插入损耗指标有所下降。

在双折射法中,沿波导方向的双折射率不再是常数。利用双折射降低侧瓣的结构比较简单,不会使滤出带宽增大。现有改变双折射率的方法是通过电光效应^[11],但其电场不可避免地分布于目标区域之外,导致降低侧瓣效果不是非常理想,并且产生所需电场的电压较大,因此,该方法不方便应用于实际生产中。

从图5可以看出,为了降低侧瓣,需要使图5中E点尽量靠近O点,这就意味着,在光波导上声光作用区两端各找到一点,即A和B,在光波导上声光作用区中间找到一点C,改变这三个点附近光波导的有效双折射率,会引起附加相位改变,这时可以通过弯曲螺线达到降低侧瓣的目的。在以A、B和C点为中心的一小段长度ΔL内,让有效双折射率从Δn改变为Δn+Δn',并且折射率变化量Δn'满足

∫y-ΔL2y+ΔL22πλ0+ΔλΔn'·ΔL≈2πλ0+ΔλΔn'·ΔL≈2πλ0Δn'·ΔL=π6。(4)

图 5. 侧瓣产生的矢量图

Fig. 5. Vector diagram of sidelobe production

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从(4)式可以看出, 有效降低侧瓣的条件是Δn'×ΔL=λ₀/12, 因此,当ΔL减小时,Δn'增大。利用这一原理,可以通过改变ΔL大小来调整应当施加的Δn'的大小。选择两端距离为2.3 mm的A、B两点,中间点作为C点。计算结果表明,当λ₀=1.55 μm,ΔL=1 mm,A、B两点处双折射率变化量Δn'_A =Δn'_B=0.00012,C点处的双折射率变化量Δn'_c=-0.00012时,可以有效地降低侧瓣。研究表明,通过改变钛膜扩散前钛条宽度w,可以改变双折射率。光束传输法^[12]的计算结果为

∂Δn∂w=-3.0×10-4μm。(5)

光波导结构示意图如图6所示。可以看出,对于有效声光相互作用长度L=16 mm的AOTF,在1045 ℃下扩散(9 h)光波导,扩散前光波导宽度为7 μm,选择两端距离为2.3 mm的A、B两点,中间点作为C点。对称地改变以这三个点为中心的、长度为1 mm三个区域的光波导宽度,就可以使这三个区域光波导的A、B两点处Δn'_A=Δn'_B=0.00012,而C点处Δn'_C=-0.00012。

图 6. 光波导结构示意图

Fig. 6. Diagram of optical waveguide structure

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根据耦合模方程计算得到新结构光波导AOTF的理论滤波特性曲线如图7所示。可以看出,侧瓣高度为-23 dB。

图 7. 新结构光波导AOTF的理论滤波特性曲线

Fig. 7. Theoretical filter characteristic curve of optical waveguide AOTF with new structure

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5 结论

通过理论分析与实验验证了AOTF侧瓣的产生,并利用矢量图阐明了侧瓣产生的机理,进而提出了降低侧瓣的方法,得到以下结论。

1) 在距声光作用区两端2.3 mm的A、B处和中点C处改变光波导宽度,使得这三处的双折射率增大或减小,引起附加相位改变,从而可以有效地将侧瓣高度降低到-23 dB,同时没有改变AOTF的滤出带宽。

2) AOTF基本结构变化很小,使得其转换效率、驱动功率和插入损耗指标近似不变。