一種基于集成光學聲光可調諧濾波器的近紅外光譜儀
摘要研制成功一種基于集成光學聲光可調諧濾波器(IAO FF)的新型近紅外光譜儀。從理論上分析了這種光譜 儀的特征方程及分辨率，然后用三個中心波長不同的增益開關分布反饋激光器(DFB)的耦合光源進行了發射光譜 的實驗測量，最后通過傅里葉逆卷積的方法進行了光譜數據的恢復工作，從而進一步將該光譜儀的分辨本領提高 到0．6 nm。

1 引 言 作為傳統光譜儀的更新換代產品，以聲光可調 諧濾波器(A()TF)作為分光元件的光譜儀 引起 人們的普遍關注。聲光可調諧濾波器是利用聲光衍 射原理制成的分光器件，初期大多采用體器件的結 構。我們在體器件的基礎上，采用集成光學工藝，制 成集成光學聲光可調諧濾波器(IAOTF) j。同體 聲光可調諧濾波器器件相比，集成光學聲光可調諧 濾波器的結構更加緊湊，體積更加小巧，衍射效率可 接近100％ ，帶寬下降到幾納米(體聲光可調諧濾波 器通常為數十個納米)，并大大降低了所需的射頻 (RF)驅動功率(大約幾十毫瓦，而體聲光可調諧濾  電力分析儀| 諧波分析儀| 發生器| 多用表| 驗電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測試器| 電力計| 電力測量儀| 光度計| 電壓計| 電流計| 波器通常接近1 W)。在此基礎上，研制成一種基于 集成光學聲光可調諧濾波器的近紅外光譜儀。它是 一種全固態裝置，沒有任何機械傳動和調節機構，同 傳統的光譜儀相比，這種光譜儀具有很多優點，例 如：光譜掃描速度快、重復測量容易，測量精度高等。 由于采用r集成光學器件，入射光可通過尾纖進行 耦合，而不必采用任何形式的狹縫，也不存在衍射效 應，因此大大降低了器件的光損耗。另外，這種光譜 儀還具有穩定性強、調諧范圍寬、無二級光譜以及易 于與計算機連接進行掃描控制等優點。

2 理論分析
2．1 單級集成光學聲光可調諧濾波器光譜儀的透 過率及特征方程 單級共線型集成光學聲光可調諧濾波器的結構 如圖1所示。當一束TM 模的光波入射到集成光 學聲光可調諧濾波器的光波導中時，在聲波作用下， 會耦合出TE模光波。在集成光學聲光可調諧濾波 器的出射端有一個TE通偏振器，因此，透過率可以 表達為 P= 式中 為聲光耦合系數，L為聲光相互作用長度，△p 由下式給出 △ 一27ff_A71一 1 (2) 。 ＼ ^ ‘ “ ／ 式中An— l獅 一研 f，這里 和研E分別是TM 模和TE模的有效折射率，， 和 為聲波的頻率和 相速。適當調整聲波強度，使得 = 丌／2，在滿足位 相匹配條件，即△口一0時，P— l，達到最大值，此時， 透射的峰值波長滿足 = = = An· If, (3) 如果波長偏離位相匹配條件，P下降，從而達到 濾波的目的。當入射光是一系列具有不同波長的單 色光波，例如波分復用器(WDM)網絡中各信道的 波長，那么隨著聲頻的掃頻，會出現一系列分離的光 波峰值。根據這些峰值所對應的聲頻，可按(3)式求 出相應的光波波長或頻率，而且這些信道的信號強 度與透過集成光學聲光可調諧濾波器的相應光波的 強度成正比。 如果入射光是連續光譜L(．：L)，則透過光強隨聲 AlA2.A ■ 0 lll_ l1． _l_ TTT 一 II. I ^． 兒上一 lIllI、 ＼ I 4 | } { l 、 ＼ l 2 3 4 5 6 圖l 共線型集成光學聲光可調諧濾波器的基本結構圖 1，5：聲吸收帶；2：叉指換能器；3：聲波導； 4：光波導；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 頻的變化T(fo)是 )和由(1)式所表示的點擴 散函數的卷積，這里，I ( )是將(3)式代入L( )所 得到的函數。亦即 T(f )：I L( 。)·lD(． 一 )d．fot 一 L(fo) |D( ) (4) 因此，L(f )可以從測得的T(J )和點擴散函數 |D( )的逆卷積得到。
2．2 分辨本領 分辨本領是衡量光譜儀器性能優劣的重要參 數。從(1)式不難得出該儀器的半極大值帶寬為 齜z： ㈤ 將(3)式代入(5)式，即可得到分辨本領 R ； 一一1．25N (6) 1 1 式中N ===L／A(以一 ／／ ，為聲波的波長)是聲光 相互作用區L所包含聲波的周期數，可見，L越長， 所包含的聲波周期數越多，光譜儀的分辨率就越高。

3 實驗測量 根據以上理論，制作了光譜儀的核心元器件集 成光學聲光可調諧濾波器，并利用輸出波長為 1．523肚m 的氦氖激光器對它的性能進行了測試，在 有效聲光作用長度16 mm，射頻驅動功率35 mW ， 聲波頻率177．8 MHz時，獲得了模式轉換效率大于 99．3 ，插入損耗小于一4 dB，3 dB帶寬1．6 nm，一 級側瓣抑制達到一9 dB的測量結果，其點擴散函數 曲線如圖2所示。由于叉指換能器(IDT)的帶寬為 l6 MHz，按照每l MHz聲頻對應8．7 nm 的光波波 長偏移計算，該集成光學聲光可調諧濾波器光譜儀 可以達到的調諧范圍為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 圖2 集成光學聲光可調諧濾波器的點擴散函數曲線 Fig．2 Spectral point spread function of the 1AOTF 光譜測量的實驗裝置如圖3所示，用3×l耦合 器將三個中心波長分別為l527，l 529和l 574nlTl的 圖3 集成光學聲光可調諧濾波器光譜測量的 實驗裝置圖 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 增益開關分布反饋激光器(DFB)耦合成一束出射 光，并經偏振控制器(PC)校準成TM 偏振態，入射 到集成光學聲光可調諧濾波器光譜儀中。通過掃描 信號發生器(RF)頻率，并調節輸出信號功率，進行 光譜測量。輸出光波用PIN探測器接收，再經鎖相 放大器，l6位模／數轉換接口與計算機連接，進行采 樣和存儲，測量結果如圖4(a)所示。從該圖可以測 出測量光譜的3 dB帶寬為1．83 nlTl，比理想情況的 1．6 nlTl的帶寬有所展寬，因此比較接近的l527 nm 和l529 nlTl處譜線分開得不夠理想，原因有兩個， 第一是由于實驗條件的限制，對環境溫度的控制不 夠理想，溫度的漂移使聲光可調諧濾波器的帶寬增 大；第二是射頻信號的不穩定，光纖布局的抖動也可 能導致聲光可調諧濾波器的帶寬增大。 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 圖4
(a)集成光學聲光可調諧濾波器光譜儀所測量的增益開關分布反饋激光器發射光譜；(
b)光柵光譜儀所測量 的增益開關分布反饋激光器發射光譜；
(c)經傅里葉自卷積處理后的光譜 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 另外用測量范圍800～2500 nlTl，3 dB帶寬0．8 nlTl的光柵光譜儀對增益開關分布反饋激光器的出 射光進行了測量，測量結果如圖4(b)所示。從該圖 可以測出用光柵光譜儀所測量光譜的3 dB帶寬為 0．83 nlTl，測量效果比較理想。通過圖4(a)，(b)的 對比可以看出集成光學聲光可調諧濾波器光譜儀在 分辨本領上與光柵光譜儀有一定差距，因此為了進 一步提高集成光學聲光可調諧濾波器的性能，研制 了一種新型的準共線聲光耦合集成光學聲光可調諧 濾波器 作為分光元件，如圖5所示。這種新型準 共線集成光學聲光可調諧濾波器采用了TE／TM 模 分離器，克服了原器件依賴于偏振的不足之處，進一 步降低了入射光的耦入損耗；并且采用了SiO ／ Inz()。薄膜聲波導，只要適當調整聲波導和光波導 O 8 6 4 2 O ● O O O O O O 8 6 4 2 O ● O O O O O 的夾角0，就可以既使側瓣得到抑制，又不會使主瓣 寬度明顯增加。因此即使在準共線耦合的情形下，只 要選擇合適的0角，公式(5)和(6)仍然近似成立。在 聲光相互作用長度L一25 mm，0—0．42。時，在中心 頻率l74 MHz附近獲得了帶寬1．44 nH1，一級側瓣 一l3．2 dB，模式轉換效率大于99 的測試結果。 ． 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 圖5 準共線型集成光學聲光可調諧濾波器的 基本結構圖 Fig，5 Basic structure diagram of quasi—collinear IAOTF

4 討論 實驗中采用的共線型聲光可調諧濾波器雖然已 經能夠滿足目前的要求，但是為了進一步提高器件 性能還可以采取下列方法。 如前所述，實際測量的光譜m( )是真實光譜 ，一( )與聲光可調諧濾波器的點擴散函數p( )的卷 積。即 m( )一l，．( )』D( — )d20一r(2) p(2)(7) 由于 ≤ 0不具有物理意義，所以對(7)式規定，當 ≤ 0時，r(a)一0。令M(．，’)，R( 廠)和P(．廠)分別表示 Ⅲ( )，r(A)和p(a)的傅里葉變換，即 M(／’)一l Ell( )exp(一i2~rf2)da (8) R(／ )一l，．( )exp(-i2 )da (9) P(_廠)一l p(a)exp(- i2~rf2)da (10) 則 卷積定理一 -可知 M(／’)一R(／、)×P(_廠) (11) 對(11)式進行變形，得到 )一 ) 由此再利用傅里葉逆變換，就町比較準確地再現輸 入光譜分布。圖4(c)給出了進行數據恢復之后的 光譜。可以清楚地看到，光譜的帶寬變為0．6 nm； 原來重疊在一起的譜線現在可以明顯地分辨開，得 到了比光柵光譜儀更為理想的效果。 另外，采用級聯結構 ]，同時增加聲光相互作 用長度，可以使譜線的3 dB帶寬下降到0．8 nm 以 下。這樣，除了一般的光譜測量之外，還可用它來進 行波分復用器網絡中各信道的頻譜分析。 采用寬帶設計的叉指換能器可以進一步拓寬集 成光學聲光可調諧濾波器光譜儀的光譜測量調諧范 圍，還可以在同一個基片上制作幾個調諧范圍不同 的集成光學聲光可調諧濾波器，制成可以測量從紫 外到中紅外較大光譜范圍的光譜儀，擴大它的應用 范圍。

5 結 論 本文所討論的這種基于集成光學聲光可調諧濾 波器的近紅外光譜儀比以光柵和體聲光可調諧濾波 器作為分光元件的光譜儀在性能方面有了很大的改 善，而且它所具有的全固態、小巧緊湊、無任何機械 傳動和調節機構以及光譜掃描速度快、光能量利用 率高等突出的優點使得它非常適用于網絡中各信道 的頻譜分析。