表面波聲光器件

表面波聲光器件是隨著表面聲波技術和光波導技術相結合用於聲光互作用中發展的。表面波聲光器件是利用表面聲波和導光波間的聲光互作用效應來工作的。

基本介紹

• 中文名：表面波聲光器件
• 類型：一種聲光器件
• 特點：衍射效率高

工作原理

表面波聲光互作用的原理與體波聲光互作用的原理是相同的，它們都是由於介質的折射率受到超音波應變的調製而作周期性的變化，並引起入射光的衍射。與體波的情況一樣，它亦可分為正常和反常布拉格衍射，唯一的區別是，導光波存在波導色散，有效折射率不僅與材料性質和導光膜的偏振狀態有關，而且還與模階數和波導層級厚度有關。正常布拉格衍射時導光膜偏振狀態不發生變化，反常布拉格衍射時偏轉狀態會發生變化或模階數發生變化。由於光波導具有色散性，不論波導層是各向同性材料還是各向異性材料，都會產生反常布拉格衍射。通過調整組成波導的各層材料的折射率和波導層的厚度可以改變有效折射率，從而可以改變反常布拉格衍射的極值頻率。

構成表面波聲光器件的光波導層厚度一般不超過幾十個光波長。光波導可以用擴散、外延、濺射、離子注入和離子交換等方法在基片表面上製作一個薄層，並使薄層的折射率略高於基片本身的折射率，就構成一個非對稱型單層介質薄膜波導。為了兼顧發喔聲表面波的激勵，基片或波導層材料，二者之一必須具有壓電性。通常採用的基片材料是鈮酸鋰晶體、碳酸鋰晶體和水晶燈。對非壓電基片，如藍寶石和玻璃等，波導層材料常用氧化鋅壓電薄膜。實際上，使用較多的是在鈮酸鋰基片上擴散鈦製成的光波導。光波導中可以容納多個導光模，但通過一定的設計可以製成單波導。光波導中傳播的導光波是通過一定的耦合技術，把雷射耦合進入光波導的，並被限定在光波導內傳播。導光波可分為橫模（TE模）和縱模（TM模）兩類，它們之間取不同的偏振態。導光膜是離散的，有高階模和低階模之分，它們之間的偏振互相正交。不同導光模的有效折射率也不同，而且與波導層的厚度有關，調整波導層的厚度，就可以改變波導這種色散特性。

圖1-1用YZ-LN製成的表面波聲光器件示意圖

激勵聲表面波的壓電換能器是在聲光介質表面鍍制的金屬叉指換能器陣列，它激勵的聲表面波在介質表面層內傳播。聲表面波只存在於厚度約為聲波長數量級的一個很薄的薄層內。所以在這個薄層內聲波的能量密度很大。圖1-1是一個利用YZ—LN製成的表面波聲光器件示意圖。

主要特性

表面波聲光互作用所具有的特點實質上完全由導光波和表面聲波本身具有與平面波不同的特點所引起，這些特點主要是：導光模和表面聲波的本徵函式都具有橫向分布，不能視作平面波；在表面聲波中總是同時存在好幾個應變分量；導光模的有效折射率或波矢量的模具有波導色散。由於表面聲波和導光波均被限制在介質表面厚度為波長數量級的薄層內，能量非常集中，製作激發表面聲波的叉指換能器所用的平面工藝又比較靈活，容易做出具有複雜結構的叉指換能器，因而，無論在驅動功率和頻寬方面，表面波聲光器件都具有更好的性能。由於表面聲波和導光波是在介質表面或表面波導層內傳播的，為了滿足邊界條件，表面聲波和導光波都具有許多與體波很不相同的特點。

表面波聲光器件的主要特性參數是衍射效率、工作頻寬等。表面波聲光衍射的衍射效率在相同的結構尺寸下比體波聲光衍射的效率低。這是由於存在光場與聲應變場的橫向分布的重疊積分的緣故。重疊積分的值在0~1之間。特別是對反常布拉格衍射，它的重疊積分值特別小。通常正常布拉格衍射的衍射效率要比反常布拉格衍射的衍射效率高。設法改變聲應變場的空間分布，可以適當提高衍射效率。但由於聲束的高度很小，只有一個聲波長的數量級，因而換能器的幾何因子可以很大，約比體波器件換能器的幾何因子大兩個數量級，所以表面波聲光器件需要的驅動功率比體波聲光器件約小兩個數量級。工作頻寬受換能器頻寬、布拉格衍射頻寬和重疊積分頻寬的限制。叉指換能器的3dB頻寬只能達到40%。要增加換能器的轉換效率就要適當增加換能器的指對數，但又會使換能器的相對頻寬減小。隨著聲波頻率的改變，聲光衍射將逐漸偏離布拉格條件。為了增大布拉格衍射頻寬，可以使聲波波前隨聲波頻率改變而跟蹤布拉格角。這種超聲跟蹤技術是採用多元換能器陣列，在相同的中心頻率下，相鄰換能器之間保持適當的相位差，一級近似下，常取固定的相差，使技術上容易實現。採用幾個中心頻率不同的叉指換能器傾斜排列，各傾角接近於中心頻率上布拉格角之差的辦法，同樣保證了聲光器件能在較大的布拉格頻寬下工作，而且更有效。

表面波聲光器件中光的輸入和輸出的耦合質量，直接影響器件的性能和套用。光耦合有不同的方法，採用稜鏡耦合對光波長不敏感、耦合效率高和只輸出一束光，但實用上不方便。採用斜面耦合或光柵耦合時，耦合效率低。光柵耦合的耦合效率對波長很敏感，但具有平面製作的優點。

表面波聲光器件用平面工藝製造，設計靈活，容易做出具有複雜結構的叉指換能器，獲得大的頻率頻寬，可以製作適用於各種用途表面波器件。聲表面波對導光波的衍射所需驅動功率較低。但是，當光波導內光功率密度過大時，容易產生非線性效應，所以表面波聲光器件多用於光功率密度較低的場合。

套用領域

表面波聲光相關/卷積器

表面波聲光相關/卷積器的工作原理和體波聲光相關/卷積器的工作原理完全相同。兩者唯一的區別是表面波聲光相關/卷積器的所有光學元件均集成在一塊平面波導片上，體積可以做得非常小。如圖1-2所示，在壓電基片表面上，兩端各設定一個叉指換能器，兩個換能器發射兩束傳播方向相反的聲表面波。它們衍射入射的導光波時，衍射光的頻率將發生移頻，一束衍射光上移頻，另一束下移頻，移頻量就是聲頻。兩束衍射光的頻差為二倍聲頻，而傳播方向相同，用透鏡聚焦送入接收器，就完成兩信號的空間積分和卷積。如事先將參考信號時間返演，則完成了兩信號的相關。表面波聲光相關器的相關增益大，卷積效率高，特別適用於從噪聲中提取有用信號和實現實時傅立葉變換。

圖1-2 時間積分表面波聲光相關器工作示意圖

表面波聲光頻譜分析儀

表面波聲光頻譜分析儀（圖1-3）的工作原理和特性參數與體波聲光頻譜分析儀比較，並沒有什麼差別。但是表面波聲光頻譜分析儀套用平面化工藝製作，所消耗的驅動功率小、體積小和重量輕。由於聲表面波的色散現象使頻率頻寬獲得一定的擴展，在信道數一定的情況下，表面波器件的頻寬可以比體波器件的頻寬小。

圖1-3 表面波聲光頻譜分析儀示意圖

微型光學陀螺儀

微型光學陀螺儀（MOG）是一種無源環形諧振腔的光學陀螺儀，基本原理是Sagnac效應，採用集成光學技術研製的新型光學陀螺儀。MOG通過測量在波導諧振腔中相同傳播的兩束光的相位差來確定旋轉物體的轉動角速率，由於每束光的總相移可達但需要測量的相位差一般卻只有，因此要直接測量出光頻變化的瞬時相位幾乎是不可能的。為此採取頻率調製的方式，使入射到波導諧振腔中的兩束光分別發生頻移，而頻移量可以精確控制，在任意時刻由兩束光的頻差所引起的相位差與Sagnac相移大小相等、方向相反，則兩束光的頻差就正比於待測的旋轉角速率，通過測量頻差就可以測得角速率，如圖1-4所示。這一技術的核心是對每束光實現精確的頻移控制，在諧振式光學陀螺儀、布里淵雷射陀螺儀以及MOG中廣泛採用聲光移頻技術來實現這一控制。

圖1-4 MOG頻率伺服控制系統圖