用于光纤声光器件的超声换能器与模式转换器

　　最近发展起来的全光纤声光器件[1-3]是一类新型的光器件,可用作声光可调滤波器、衰减器、声光开关和频移器等光纤通信和传感中常用的光器件。构成全光纤声光器件的基本物理要素有光纤波导应能够支持光能量相互转换的两个或多个模式,它们既可是双模光纤的空间模式,也可是双折射光纤的偏振模式;光纤弹性波激励与传播(纵向模式、弯曲模式或扭转模式),是超声换能器成为设计高性能声光器件的关键因素之一。若要光纤声光器件中导波模式间发生高效耦合,则要求换能器发射效率要高且带宽尽量宽。

　　本文研制了全光纤声光器件所需的超声换能器和模式转换器。在光纤声光可变衰减实验中的应用表明,设计的换能器和模式转换系统具有高效、稳定、宽带的特点,能满足全光纤声光器件的需要。

　　1 纵-弯曲模式转换系统

　　光纤中的弯曲声波可利用纵-弯模式转换器来激励。纵向振动换能器的输出端与其振动方向垂直的振动体连接[4-5],图1所示为/T0型结构把喇叭中的纵向模式转换成光纤中的弯曲模式,射频(RF)信号驱动压厚度振动的压电陶瓷片(PZT)在锥体中激励起纵向声波耦合到光纤中转换成弯曲模式[6-7]。

　　此过程可用传输线理论[7]来分析。定义圆柱体尖端的纵向声阻抗为

　　式中cr是纵向波速;ρr是构成喇叭材料的密度;

　　Ar=πa²r是圆柱体较细一端的横界面的面积。类似地可定义光纤中的弯曲波的声阻抗为

　　式中引进了因子2,这是因为在光纤中弯曲声波是双向激励的,当声阻抗匹配(Zr=Zf)时可得到优化传输,假定ρr=ρf,此优化条件可写为

　　不符合这个要求时,将导致附加传输损耗,从功率传输系数可得传输系数为

　　这里同样考虑了双向传输问题。以半径为参数,通过传输系数计算的结果[7]表明,如果光纤圆柱的半径在15~8.5μm,双向附加损耗可小于3dB。

　　2 换能器的制作及系统连接

　　换能器的设计主要包括压电陶瓷(PZT)片的选择、喇叭制作及各单元之间的键合。图2是设计的换能器的具体结构图,它包括喇叭(玻璃或铝)、PZT、刚性背衬和引线。

　　P-51因有较低的机械品质因数,故带宽较宽,同时还具有介电系数和平面耦合系数较高及弹性柔顺系数高的特性,这既可满足宽带,也可满足发射功率的需要。在光纤AO实验中,一般要求的功率比较小,通常为几百毫瓦,所以P-51更适合用于制作光纤声光器件所需的换能器。选用P-42和P-51两种类型的PZT,频率从1~12 MHz的系列压电陶瓷片,它们的直径为分别为ù3mm、ù6mm。