一种一体化光纤声光调制器

申向伟，王智林，吴 畏，吴中超，王大贵，朱 吉，陈永峰，何晓亮

(中国电子科技集团公司 第二十六研究所，重庆 400060)

光纤声光调制器(FAOM)[1-8]通过声光互作用实现对光调制及移频等作用，被广泛应用于光纤激光器、光纤传感及冷原子等领域。传统FAOM由分离的驱动器和器件组成[9]，整体尺寸和功耗较高，且不能满足光纤激光器、激光测风雷达及光纤分布式传感等系统小型化、集成化对FAOM小体积、低功耗的需求。本文将传统FAOM器件典型尺寸67 mm×23 mm×10 mm，驱动器尺寸110 mm×80 mm×28 mm，电功耗15 W，通过集成化、低功耗及合理的热设计技术，实现了器件和驱动器一体化，整体尺寸和功耗典型值分别为59.56 mm×49.48 mm×14.6 mm和0.72 W(脉冲)，在小型化光纤激光器系统、光纤传感系统及相干激光测风雷达系统中具有很好的应用前景。

FAOM主要由驱动器和器件两部分组成。驱动器主要由振荡电路、调制电路、小信号放大电路及功率放大电路等组成，器件主要由阻抗匹配网络、声光晶体及光纤耦合系统等组成。图1为光纤声光调制器工作原理。

图1 光纤声光调制器工作原理

驱动器输出的载波功率信号作用在换能器上，激发超声波耦合入声光互作用介质，在介质中产生折射率光栅，入射光经光纤准直器准直后进入声光互作用介质时发生衍射，衍射光的频率为输入光频率和超声波频率的叠加，实现了声光移频，衍射光再通过输出端光纤准直器耦合进光纤。利用外部调制信号改变驱动器载波功率信号的幅度，就可以控制声光互作用介质中声场的强度，从而控制衍射光的光强，实现光幅度调制。

本文从器件和驱动电路一体化、低功耗和散热三方面进行设计，最终得到性能可靠的一体化低功耗产品。一体化FAOM的器件和驱动电路处于一个金属外壳中，而传统FAOM的器件和驱动电路分别处于不同的金属外壳中，一体化FAOM的产品组成如图2所示。

图2 一体化FAOM组成

2.1 一体化设计

一体化(小型化)设计包含器件和驱动电路两方面。器件一体化、小型化主要从三方面设计：减小光纤准直器工作距离，在满足通断消光比要求的前提下，尽量减小光纤准直器的工作距离。减小晶体厚度，在满足声光互作用宽度的情况下，尽量减小晶体厚度，降低空间占用。阻抗匹配电路和驱动电路集成，器件阻抗匹配电路集成到驱动电路中，同时全部采用小体积封装元件进行匹配。

驱动电路一体化设计方面，传统驱动电路原理框图如图3所示，其电路调试简单，开关比高，但体积和功耗(6 W)较大。

图3 传统驱动电路原理框图

为得到小体积和低功耗的FAOM，驱动电路在满足指标情况下进行方案优化，设计了振荡电路和一级功率放大的方案，由振荡电路、整形电路、功率放大电路及电源模块等组成。使用高效功率放大器进行基极开关调制，从而实现脉冲调制功能，功率放大器同时具有放大和调制功能，功率放大器选用高速和输入耦合电容小的LDMOS管，能满足光脉冲的上升下降时间以及开关比要求；
振荡电路为100 MHz方波信号，输出15 dBm，功率放大器增益为20 dB@100MHz，最大输出可达35 dBm(3.16 W)，器件实际需要功率为2.3 W，所以采用一级功率放大可满足指标要求，一体化驱动电路从电路结构上减小了开关调制电路、小信号放大电路及电源模块2，原理框图如图4所示，从而减肥小了一体化驱动电路的体积和功耗。

图4 一体化驱动电路原理框图

通过优化印制电路板(PCB)的布局布线，并对驱动电路的信号完整性及性能可靠性等方面进行软件仿真，通过仿真指导布局布线，最终实现驱动电路一体化设计。

2.2 低功耗设计

低功耗设计包含器件和驱动电路两方面。器件低功耗从提高晶体衍射效率和减小换能器损耗出发。提高晶体衍射效率设计见文献[9]，着重介绍了减小换能器损耗设计。FAOM换能器的键合膜系结构如图5所示。

图5 声光晶体键合膜系结构

顶电极层位于压电换能器上表面，是换能器的射频输入电极。底电极层位于声光介质与换能器之间,由两层衬底层和一层键合层组成。底电极层既是声学增透层，又充当换能器接地电极，因此材料的选择除满足阻抗匹配外，还必须具有良好的导电性。

声光晶体换能器工作在厚度驱动模式，声场从换能器到声光介质的耦合效率由换能器损耗(TL)来表征，它取决于各声学层材料的声阻抗(Zn)、面积(Sn)、相移(γn)和器件的工作频率(f)，与各声学层材料声速(vn)、密度(ρn)和厚度(ln)有关。定义各声学层声阻抗为

Zn=Snρnvn

(1)

定义各声学层相移为

(2)

通过等效电路网络传递矩阵函数建立键合膜系仿真模型，利用玛森等效电路模顶电极层和换能器的声学传递特性(A0)及传输线网络矩阵模底电极层声学传递特性(A4～A6)，并将声光晶体考虑为负载(Z7)，得到键合膜系等效电路模型如图6所示。

图6 键合膜系等效电路模型

通过An描述各等效电路部分传递矩阵：

(3)

式中C1～C4为传递矩阵修正系数。光纤声光高速调制器键合膜系等效电路网络总传递矩阵A为

(4)

TL=-10lg(P1/P2)=-10·

(5)

式中：P1为耦合入声光介质的声功率；
P2为驱动器提供的电功率；
Rs为驱动电源的内阻。

通过Matlab编程对工艺参数进行设计，可得到工作频率100 MHz、换能器损耗最小时各膜层厚度，仿真曲线如图7所示。

图7 本文产品的TL-f对应关系

驱动器低功耗设计方面，在满足声光器件插入损耗前提下，尽量减小驱动电路的输出功率，达到降低驱动电路总体功耗的目的：

1) 通过优化振荡电路，传统采用电容三点式振荡电路来实现信号产生，电容三点式振荡电路包括时发射极耦合电路(ECL)高速电路，其功耗较大，本文采用了温补晶振产生振荡信号，体积、功耗较小且输出功率较大(15 dBm)，减小了后级功率放大的压力，采用一级功率放大器能满足声光器件的功率需求，振荡电路部分功耗比原来减小了86.7%。

2) 采用新型高效功率放大器为放大模块，利用Protel和ADS电路设计软件优化放大器的输入输出阻抗匹配网络，实现高效放大，利用放大器基极调制方式实现脉冲调制功能，使放大器同时具有放大和调制功能，原驱动电路的静态工作点在脉冲开或关状态时电压恒定，导致放大器放大效率较低(仅为30%)，而一体化驱动电路的静态工作点仅在脉冲开状态时电压恒定，脉冲关状态时静态工作点电压为0，同时脉冲关状态的时间高达90%，从而使放大器效率大于60%，通过采用基极调制方式，提高了放大器输出效率，放大器部分功耗比原来减小了30%。

3) 减小和器件匹配损耗，在驱动电路和声光器件的匹配设计中，先测试声光晶体的S参数，并利用ADS仿真软件指导驱动电路的输出阻抗设计，使其直接与声光晶体的输入阻抗匹配，以减少驱动电路和声光器件间的匹配损耗，通过实测数据，匹配电路功耗比原来减小了5%。

4) 提高电源模块转换效率。一体化驱动电路采用直流电压(+12 V)供电，设计产品振荡电路和整形电路的电压为+5 V，选用高电源抑制比的DC/DC电源模块，性能指标接近线性电源模块，其体积更小，效率高达85%，从而提高了电源模块部分的转换效率，通过实测数据，电源部分功耗比原来减小了50%。

2.3 散热结构设计

在对FAOM产生热耗进行分析的基础上，设计的外形结构如图8所示。对结构图进行热仿真分析，通过热仿真分析结果对散热薄弱位置进行优化改进，多次仿真、优化后得到最优的外形结构。考虑到驱动电路发热对晶体工作性能的影响，光路部分和电路部分采用分离式结构，同时电路部分与金属外壳间采用大面积接触设计，提高产品的传导散热能力。

图8 一体化声光调制器内部和外形结构

利用SOLIDWORKS软件对声光晶体在环境温度70 ℃下工作时内部温场分布进行分析，如图9所示。

图9 声光晶体在70 ℃的内部温场分布

由图9可以看出，晶体在70 ℃的环境温度下工作，声场吸收面是发热最严重的区域，其次是压电换能器部分。经过分析，声光晶体工作达到稳态后，声场吸收面温度约为87.2 ℃，换能器的温度约为84.3 ℃，块体与外壳接触面温度约为78.5 ℃。

对一体化驱动电路进行了热仿真分析。为简化模型，略去射频接插头、盖板，对主要的几个发热模块、振荡电路、电源模块和功率放大器等进行热仿真分析，驱动电路热分析模块示意图如图10所示。驱动电路采用传导方式进行散热，主要发热元件的发热量数据如表1所示。

图10 驱动电路热分析模块示意图

表1 驱动电路主要发热元件功耗

经过SOLIDWORKS热仿真分析，驱动器在70 ℃稳定环境下的热分布如图11所示。功率放大器温度最高(约77 ℃)；
电源模块温度约为76 ℃。功率放大器、电源模块等元器件的温度范围均为-40～ 85 ℃，热仿真分析显示,其最高温度均在其正常工作范围内，能满足要求。驱动电路的其他部分元器件(如表贴电阻、电容、电感等)选用的温度范围为-40～85 ℃。

图11 驱动电路热分析模型

基于以上的设计，本文研制出了一种一体化FAOM，实物如图12所示。

图12 一体化FAOM实物图

采用经过计量的游标卡尺、1 550 nm窄线宽激光器、光电探测器、示波器、光功率计测试了其性能参数。该FAOM整体尺寸为59.56 mm×49.48 mm×14.6 mm，插入损耗为1.53 dB，消光比为54.86 dB，光脉冲上升时间为16.7 ns，光脉冲延时抖动为1.5 ns。我们采用热成像仪对其常温(24 ℃)工作进行温度测试，测试结果如图13所示。由图可看出，功率放大器部分温度最高(约27.3 ℃)，比室温时温度增加了3.3 ℃，实测和热仿真分析结果基本一致。

图13 等幅工作状态下热成像仪图片(带散热片)

本文重点介绍了一体化FAOM的原理、设计方法及研制结果。所研制的一体化FAOM具有体积小，功耗低，消光比高及插入损耗低等优点。采用这种低功耗、小体积的一体化FAOM对降低光纤激光器、激光测风雷达及分布式光纤传感等系统的尺寸和功耗具有较大的促进作用。