一种基于集成光学声光可调谐滤波器的近红外光谱仪

一种基于集成光学声光可调谐滤波器的近红外光谱仪
摘要研制成功一种基于集成光学声光可调谐滤波器(IAO FF)的新型近红外光谱仪。从理论上分析了这种光谱 仪的特征方程及分辨率，然后用三个中心波长不同的增益开关分布反馈激光器(DFB)的耦合光源进行了发射光谱 的实验测量，最后通过傅里叶逆卷积的方法进行了光谱数据的恢复工作，从而进一步将该光谱仪的分辨本领提高 到0．6 nm。

1 引 言 作为传统光谱仪的更新换代产品，以声光可调 谐滤波器(A()TF)作为分光元件的光谱仪 引起 人们的普遍关注。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) j。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  电力分析仪| 谐波分析仪| 发生器| 多用表| 验电笔| 示波表| 电流表| 钩表| 测试器| 电力计| 电力测量仪| 光度计| 电压计| 电流计| 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r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 P= 式中 为声光耦合系数，L为声光相互作用长度，△p 由下式给出 △ 一27ff_A71一 1 (2) 。 ＼ ^ ‘ “ ／ 式中An— l狮 一研 f，这里 和研E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 = 丌／2，在满足位 相匹配条件，即△口一0时，P— l，达到最大值，此时， 透射的峰值波长满足 = = = An· If, (3) 如果波长偏离位相匹配条件，P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L(．：L)，则透过光强随声 AlA2.A ■ 0 lll_ l1． _l_ TTT 一 II. I ^． 儿上一 lIllI、 ＼ I 4 | } { l 、 ＼ l 2 3 4 5 6 图l 共线型集成光学声光可调谐滤波器的基本结构图 1，5：声吸收带；2：叉指换能器；3：声波导； 4：光波导；6：TE通偏振器 Fig．1 Basic structure diagram of collinear IAOTF 1- 5： acoustical absorbers； 2： inlerdigitaI transducer； 3： acousdcal waveguide；4：optical waveguide；6：TE pass polarizer 频的变化T(fo)是 )和由(1)式所表示的点扩 散函数的卷积，这里，I ( )是将(3)式代入L( )所 得到的函数。亦即 T(f )：I L( 。)·lD(． 一 )d．fot 一 L(fo) |D( ) (4) 因此，L(f )可以从测得的T(J )和点扩散函数 |D( )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 龇z： ㈤ 将(3)式代入(5)式，即可得到分辨本领 R ； 一一1．25N (6) 1 1 式中N ===L／A(以一 ／／ ，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 1．523肚m 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，3 dB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。 一1 0～0 8～06-0．4—0 2 (1 0 2 0 4 0．6 0．8 l O Frequenc) of acoustic AF／M Hz 图2 集成光学声光可调谐滤波器的点扩散函数曲线 Fig．2 Spectral point spread function of the 1AOTF 光谱测量的实验装置如图3所示，用3×l耦合 器将三个中心波长分别为l527，l 529和l 574nlTl的 图3 集成光学声光可调谐滤波器光谱测量的 实验装置图 Fig．3 Schematic diagram of the experimental setup for IAOTF spectrometer I520 I530 I 540 I 550 I560 l570 l580 I590 W avelength／nm 1．0 0 8 0．6 0．4 0 2 0．0 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，l6位模／数转换接口与计算机连接，进行采 样和存储，测量结果如图4(a)所示。从该图可以测 出测量光谱的3 dB带宽为1．83 nlTl，比理想情况的 1．6 nlTl的带宽有所展宽，因此比较接近的l527 nm 和l529 nlTl处谱线分开得不够理想，原因有两个， 第一是由于实验条件的限制，对环境温度的控制不 够理想，温度的漂移使声光可调谐滤波器的带宽增 大；第二是射频信号的不稳定，光纤布局的抖动也可 能导致声光可调谐滤波器的带宽增大。 1520 I530 I540 I550 l560 l570 l580 I590 Wavelength／rim 。 I．^ 。．．-．．．I▲-．．1．．． -“Jl『 I520 I530 I540 I550 I560 l570 l580 l590 W avelength／nm 图4
(a)集成光学声光可调谐滤波器光谱仪所测量的增益开关分布反馈激光器发射光谱；(
b)光栅光谱仪所测量 的增益开关分布反馈激光器发射光谱；
(c)经傅里叶自卷积处理后的光谱 Fig·4 (a)DFBs emitting spectrum measured by IAOTF spectrometer；(b)DFBs emitting spectrum measured by grating spectrometer；(c)Fourier deconvolved emitting IAOTF spectrum of DFBs 另外用测量范围800～2500 nlTl，3 dB带宽0．8 nlTl的光栅光谱仪对增益开关分布反馈激光器的出 射光进行了测量，测量结果如图4(b)所示。从该图 可以测出用光栅光谱仪所测量光谱的3 dB带宽为 0．83 nlTl，测量效果比较理想。通过图4(a)，(b)的 对比可以看出集成光学声光可调谐滤波器光谱仪在 分辨本领上与光栅光谱仪有一定差距，因此为了进 一步提高集成光学声光可调谐滤波器的性能，研制 了一种新型的准共线声光耦合集成光学声光可调谐 滤波器 作为分光元件，如图5所示。这种新型准 共线集成光学声光可调谐滤波器采用了TE／TM 模 分离器，克服了原器件依赖于偏振的不足之处，进一 步降低了入射光的耦入损耗；并且采用了SiO ／ Inz()。薄膜声波导，只要适当调整声波导和光波导 O 8 6 4 2 O ● O O O O O O 8 6 4 2 O ● O O O O O 的夹角0，就可以既使侧瓣得到抑制，又不会使主瓣 宽度明显增加。因此即使在准共线耦合的情形下，只 要选择合适的0角，公式(5)和(6)仍然近似成立。在 声光相互作用长度L一25 mm，0—0．42。时，在中心 频率l74 MHz附近获得了带宽1．44 nH1，一级侧瓣 一l3．2 dB，模式转换效率大于99 的测试结果。 ． i L nput spli ． tter 一 mode wavegu’de d舀_mod0： ． l 黼翮圈_曩■spliner j■I — 目 j — I qw一】■【 。 3IiI 。 i 图5 准共线型集成光学声光可调谐滤波器的 基本结构图 Fig，5 Basic structure diagram of quasi—collinear IAOTF

4 讨论 实验中采用的共线型声光可调谐滤波器虽然已 经能够满足目前的要求，但是为了进一步提高器件 性能还可以采取下列方法。 如前所述，实际测量的光谱m( )是真实光谱 ，一( )与声光可调谐滤波器的点扩散函数p( )的卷 积。即 m( )一l，．( )』D( — )d20一r(2) p(2)(7) 由于 ≤ 0不具有物理意义，所以对(7)式规定，当 ≤ 0时，r(a)一0。令M(．，’)，R( 厂)和P(．厂)分别表示 Ⅲ( )，r(A)和p(a)的傅里叶变换，即 M(／’)一l Ell( )exp(一i2~rf2)da (8) R(／ )一l，．( )exp(-i2 )da (9) P(_厂)一l p(a)exp(- i2~rf2)da (10) 则 卷积定理一 -可知 M(／’)一R(／、)×P(_厂) (11) 对(11)式进行变形，得到 )一 ) 由此再利用傅里叶逆变换，就町比较准确地再现输 入光谱分布。图4(c)给出了进行数据恢复之后的 光谱。可以清楚地看到，光谱的带宽变为0．6 nm； 原来重叠在一起的谱线现在可以明显地分辨开，得 到了比光栅光谱仪更为理想的效果。 另外，采用级联结构 ]，同时增加声光相互作 用长度，可以使谱线的3 dB带宽下降到0．8 nm 以 下。这样，除了一般的光谱测量之外，还可用它来进 行波分复用器网络中各信道的频谱分析。 采用宽带设计的叉指换能器可以进一步拓宽集 成光学声光可调谐滤波器光谱仪的光谱测量调谐范 围，还可以在同一个基片上制作几个调谐范围不同 的集成光学声光可调谐滤波器，制成可以测量从紫 外到中红外较大光谱范围的光谱仪，扩大它的应用 范围。

5 结 论 本文所讨论的这种基于集成光学声光可调谐滤 波器的近红外光谱仪比以光栅和体声光可调谐滤波 器作为分光元件的光谱仪在性能方面有了很大的改 善，而且它所具有的全固态、小巧紧凑、无任何机械 传动和调节机构以及光谱扫描速度快、光能量利用 率高等突出的优点使得它非常适用于网络中各信道 的频谱分析。