一种一体化光纤声光调制器

2022-09-19申向伟王智林吴中超王大贵陈永峰何晓亮

压电与声光 2022年4期

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)

0 引言

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。

1 原理

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。

2 设计

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

3 研制结果

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。