光纖聲光器件是依據光纖導聲波與導光波相互作用理論而製作的一種全光纖型的聲光器件，它與前面提到的表面波聲光器件和體波聲光器件的工作原理類似。光纖聲光器件的聲光互作用介質一般是多模光纖（通常為雙模），為此把這類器件稱為光纖聲光器件。
基本介紹
- 中文名：光纖聲光器件
- 類型：一種聲光器件
簡單介紹,工作原理,主要特性,套用領域,光纖陀螺,光纖水聽器,
簡單介紹
光纖聲光器件是依據光纖導聲波與導光波相互作用理論而製作的一種全光纖型的聲光器件，它與前面提到的表面波聲光器件和體波聲光器件的工作原理類似。光纖聲光器件的聲光互作用介質一般是多模光纖（通常為雙模），為此把這類器件稱為光纖聲光器件。構成光纖聲光器件的基本物理要素有兩個，一是需要激勵起沿光纖傳播的彈性波，二是光纖波導應能夠支持光能量相互轉換的兩個波導模式。如果兩個導模之間的拍長與聲波波長滿足諧振條件（布拉格條件），則有可能利用光纖波導中的聲光效應實現兩導模之間的功率耦合，構成所需的聲光器件。
工作原理
在多模光纖的輸出端面的光強度分布，實質上是一個複雜的干涉場分布，它是由在光纖傳播的多個模式的相位改變決定的。超聲場不同程度地改變這些模式的相移，進而控制輸出場的強度，實現幅度調製。控制兩個偏振模式之間的聲致相位差，可以對光纖輸出光進行偏振調製，單模光纖實際上是雙模光纖，這是因為單模光纖傳輸的是具有相同傳播常數但偏振方向互相正交的基模的兩個簡併模式。兩個偏振模式之間的聲致相位差可以看作偏振態在旋轉，這樣通過檢偏器可得到對應於聲致雙折射的強度調製信號，實現對光纖中的雷射進行相位調製。
超音波在光纖中傳播時對光纖的作用可以看作是光纖受迫做周期性微彎運動，引起光纖發生周期性形變，光纖形變的兩個主要參數是彎曲的空間周期和形變的幅值。當聲波耦合到光纖中時，對光纖中傳播的各種光模式產生強度調製，使光功率在芯模之間重新分配或者從芯模耦合到輻射模（損耗）。對後者來說，輻射模的一部分可以被包層俘獲成為包層模沿光纖繼續傳播。根據偶合模理論，如果光纖的軸向上存在周期性的微彎，光功率就會在具有不同傳播常數的模式之間發生耦合。
根據上述原理可製作各種全光纖聲光器件，可以製作模式耦合器、模式選擇濾波器、光纖頻移器、干涉儀、調製器、可調濾波器等一些常用的器件。與聲波發生相互作用的可以是光纖的兩個空間模式、偏振模式，聲光互作用介質可用雙芯光纖或同軸光纖也可以是保偏光纖或高雙折射光纖、拋光的“D”形光纖等。
全光纖聲光器件較多採用單根多模光纖（通常為雙模），也採用普通的單模光纖和雙芯光纖。光纖由纖芯和包層組成。纖芯材料的折射率大於包層材料的折射率，使光能限定在光纖內傳播。在多模光纖中，光纖內傳輸的光具有不同的模式，其數目由光纖的數值孔徑和纖芯的直徑決定。數值孔徑隨纖芯與包層之間的相對摺射率差的增大而增大。在光纖內能夠傳輸的光波長必須大於光纖的截止波長。光纖的纖芯形狀可以是圓形或橢圓形的。光纖的纖芯數目可以是單芯或雙芯的。
光纖聲器件所用的壓電換能器分為薄片式和薄膜式兩類。薄片壓電換能器先加工製作好再與光纖接合，接合的質量會影響超音波的耦合損耗，從而影響換能器的工作頻寬。為了能使光纖傳輸光的兩個正交偏振模產生耦合，壓電換能器的工作頻率與雙折射光纖的拍長相匹配。由於換能器工作頻率與光纖的拍長成反比，所以壓電換能器的工作頻率受光纖拍長的限制。利用聲楔技術可以使換能器的工作頻率得到提高。聲楔粘接在光纖與壓電換能器之間，由換能器激勵的聲波進入聲楔後，經聲楔導入光纖。適當減小楔角，即可使換能器的工作頻率得到一定的提高。使用此類壓電換能器存在與光纖接合質量的問題，致使其轉換效率和頻寬受到一定影響且工藝重複性差。使用薄膜換能器時，則直接沉積在作為互作用介質的光纖上，不存在粘合問題。使用薄膜壓電換能器使光纖聲光器件的工作頻率和頻寬得到較大提高。當薄膜換能器製作在圓形光纖表面上時，換能器的柱面具有使聲束聚焦的作用，增大了纖芯處的聲能密度，從而有利於獲得較強的光衍射。如果利用光纖整個圓柱形的表面沉積壓電薄膜，則可製成圓筒聲諧振器，可達到較高的諧振頻率。薄膜壓電換能器也可以沉積在圓形玻璃毛細管上，光纖在毛細管軸心穿過，這時壓電換能器激勵的聲波穿過毛細管壁再進入光纖。或者把壓電薄膜沉積在經過加工研磨的玻璃毛細管上，再套裝在光纖上，構成一種可以方便按照和拆卸的結構，它不需要切斷傳輸光纖通道，而又方便在光纖上安裝、移動位置和拆卸。
為了利用已有體聲波器件和表面波聲光器件的成果，還發展了一種混合結構的光纖聲光器件。即在體波聲光器件或表面波聲光器件的輸入、輸出端直接耦合光纖接頭，通過該接頭把聲光器件直接接入光纖系統。這種結構的器件稱為帶纖聲光器件。
主要特性
全光纖聲光器件的發展主要有兩個主流方向。一個是雙模光纖系列，另一個是最近幾年發展起來的光纖熔錐系列聲光器件，而且均採用光纖彎曲聲波模式。採用彎曲聲波是因為這種聲波模式的特點與光纖周期性形變一致且容易實現，當然根據具體的需要也可以採用扭轉模式和縱向模式。
雙模光纖有兩個空間模式，即基模和次階模，這比利用偏振模式要容易實現，且無需特種光纖，同時具有與現有的光纖通信和感測系統兼容等優點。彎曲聲波引起光纖折射率的周期性變化和幾何形變實際上是對光纖的微擾，當光纖中的兩個模式之間的拍長等於聲波波長時，發生諧振耦合。與塊體和表面波聲光效應類似，雙模光纖中的聲光效應可以實現許多功能。如全光纖移頻器、調製器、梳狀濾波器、聲光可調諧濾光器等，這些器件已經在全光纖可調雷射器和光纖干涉儀的外差解調等方面得到了套用。
套用領域
光纖聲光器件接入光纖系統後，不用調整光路，也不用進行輸入、輸出的耦合，是一種直列式的器件，插入損耗小、體積小、重量輕，在光纖通信、光纖感測和信號處理中有廣泛的套用前景。
光纖陀螺
光纖陀螺與雷射陀螺一樣都是基於Sagnac效應，只是用光纖代替干涉儀的環狀光路構成光纖Sagnac干涉儀。工作方式有：脈衝法、相位調製法、頻率變化法、雙束輸入法、分布耦合法、光外差法、光路分離零拍發、散焦法、垂直偏振法等。干涉式光纖陀螺的工作原理如圖1-1所示，測試系統的關鍵技術是解決怎樣準確測出雷射由於相對運動引起的相位變化或頻率變化值。由於雷射的頻率極高，光電探測器要想直接測出光頻或相位的瞬時變化量基本上是不可能的，利用外差檢測法測量兩束光纖中左右旋轉的兩束光的相位差或頻率差。其中聲光器件通常是全纖聲光器件或帶纖的聲光器件，作用是對光纖中左右旋轉的兩束光中的一路雷射產生移頻，聲光器件的移頻量容易精確控制，通過外差檢測法在光電探測器和頻譜分析儀上就可以精確測出任意時刻光頻的瞬時相位變化值，即可以算出對應的旋轉角速率或其他參數。
圖1-1 干涉式光纖陀螺工作原理框圖
