利用脉冲调制测量LiNiO3波导电光强度调制器的调制深度

利用脉冲调制测量LiNiO3波导电光强度调制器的调制深度
作者：赵晓萌李秋实方少亮
来源：《科技创新与应用》2016年第27期
摘要：获取高峰峰值的激光脉冲是激光致声的关键，而提高系统中LiNiO3波导电光强度调制器的调制深度可提高峰峰值。

文章在阐述了LiNiO3电光强度调制器的原理后，对其调制深度进行了研究。

提出了利用脉冲调制测量调制深度的方法：拟合脉冲调制电压高电平对应的输出光功率与加载的调制电压的函数关系，通过测量输出光功率，可得到调制深度；并搭建了实验系统，测量了电光调制器的调制深度。

结果表明，利用脉冲调制能够测量LiNiO3波导电光强度调制器的调制深度，提出的提高调制深度的方法为激光致声研究中高峰峰值激光脉冲的获取提供了解决方案。

关键词：光电子学；激光致声；电光调制器；调制电压；调制深度
1 概述
激光致声属于声、光交叉学科领域，与传统声源相比，利用激光致声现象产生的声波具有以下独特的优势：能够覆盖广阔的水域，使设备与水隔绝，可远距离传输，机动灵活，可用于各种恶劣环境等，因此，近年来，这项技术备受关注。

但由于通过热膨胀机制激发声波的转换效率很低，以致激发声波的强度太小，使得这项技术在很多应用领域受到了限制。

因此，得到峰峰值较高的脉冲激光是解决这一问题的有效途径，也是这项技术研究中重点关注的问题。

获得激光脉冲的方法有很多，使用锁模和调Q脉冲激光器都能获得高功率激光输出，但由于其重复频率太高，而无法在激光致声中获得广泛应用。

对连续光进行脉冲调制，再对脉冲光进行放大，成为目前激光致声应用中获得较高功率激光脉冲的一种有效方法。

LiNiO3波导电光调制器具有光谱工作范围宽、驱动电压低、插入损耗小、消光比高、啁啾可以为零或可调、可靠性高和易于大规模生产等优点，成为目前应用最为广泛的脉冲调制器件。

利用LiNiO3波导电光强度调制器调制得到脉冲光时，脉冲光的峰峰值与调制深度有关，提高调制深度可提高光脉冲的峰峰值。

在实验中通过信号发生器加载调制电压，由于阻抗不匹配等原因，加载到电光调制器上的调制电压与信号发生器输出的电压并不相同，调制深度即调制电压必须通过实验测量。

为保证电光强度调制器的正确使用，同时又尽可能地得到高峰峰值的光脉冲，测量调制深度是非常必要的。

文章提出了利用脉冲调制测量LiNiO3电光强度调制器的调制深度的方法，文章的研究对激光致声研究领域中获得高峰峰值的激光脉冲及这项技术的工程应用具有重要的指导意义。

2 理论
LiNiO3波导电光强度调制器的结构如图1所示，在铌酸锂波导衬底上用钛扩散技术制作出一个M-Z型干涉仪，输入光经过一段路程后在一个Y分支处被分成相等的两部分，每部分分别通过光波导的两个支路，然后在第二个Y分支处干涉。

由于通过不同的支路受到不同的相位调制，最终干涉形成强度调制。

由（9）式可知，在射频端加载脉冲调制信号，在直流偏置端口加直流电压VDC，就可获得脉冲光输出。

若射频端加载峰值电压为Vm（低电平为-Vm，高电平为Vm）的脉冲调制信号，此时电光强度调制器输出光脉冲的两个峰值光功率分别为：
对比（9）式和（10）式可知，在强度调制器上加载峰值电压为Vm的脉冲调制信号时，调制信号的低电平对应的光功率相当于射频端不加载调制信号时，将直流偏置电压降低Vm后的输出光功率，而高电平相当于将直流偏置电压提高Vm后的输出光功率。

为了获得最大的峰值功率和最大的消光比，直流电压VDC和脉冲调制信号的选取最为重要。

由（9）式和（10）式可知，当射频端不加载调制信号时，电光强度调制器的输出光功率随直流偏置电压VDC呈正弦变化，如果初相位为φ0=0，则只需选取直流偏置VDC=，射频端峰值电压Vm=Vπ，就可获得最大峰值功率和最大消光比的激光脉冲。

但在实际应用中，由于阻抗不匹配等原因，加载到LiNiO3电光强度调制器的电压与实测电压不同，同时，调制器初相位也不一定恒为零。

因此很难通过设定偏置电压和调制脉冲电压就可获得高性能的激光脉冲。

在实际应用中，调节直流偏置电压，使电光强度调制器工作在输出光功率从最小值上升到最大值的平均值位置，即工作在线性区，此时，经调制后，调制电压的高低对应的光功率P1和P2满足下式：
由（11）式和（12）式可知，通过测量得到的加载脉冲调制后电光强度调制器的输出光功率和不加载脉冲调制时电光强度调制器的最大和最小输出光功率可确定调制信号高低电平对应的光功率，然后通过只加载直流偏置电压时电光强度调制器的输出光功率随直流偏置电压VDC变化的正弦曲线可确定真正加载到电光调制器上的调制电压值，进而确定调制深度。

3 实验
通过脉冲调制测量LiNiO3电光强度调制器调制深度的实验框图如图2所示。

激光器输出波长为1550nm的激光直接输入到电光强度调制器，直流电源和信号发生器分别为电光强度调制器提供直流偏置和脉冲调制信号，调制器的输出端用光纤耦合器分为光功率分别为99.7%和0.3%两路，一路用来监测脉冲调制后的光波形，99.7%一路用来测量加载调制后调制器输出的平均光功率。

利用光功率计测量得到激光器的输出功率为38mW，电光强度调制器的射频端不加载调制信号时，直流偏置电压从0V增大到14V，步长为0.5V，电光调制器输出光功率的变化曲线如图3所示：
由图3可知，当直流偏置电压为6.5V时，输出光功率达到最小，最小值为0.02mW；当直流偏置电压为11V时，输出光功率达到最大，最大值为14.80mW。

由此可得，电光强度调制器的半波电压Vπ为4.5V，（11）式中Pa=7.41mW。

在以下的实验中，保持直流偏置电压为8.75V。

设置信号发生器输出脉冲电压的占空比为10%，脉冲调制信号的峰值电压从0.25V增大到4V，步长为0.25V。

测量电光强度调制器的输出光功率，通过（11）式和（12）式可计算出此时P1和P2的值，其具体数值如表1所示。

峰值电压分别为0.5V和1V时，示波器上观测到的信号波形如图4所示。

图4（a）为脉冲调制信号峰值电压为0.5V时示波器上观测到的波形，图4（b）为峰值电压为1V观测到的波形，两图中，上面的曲线为脉冲调制信号波形，下面的曲线为调制得到的光脉冲信号波形，两信号波形相同。

对比两图可知，调制电压为1V时得到的激光脉冲峰峰值大于调制信号为0.5V时的光脉冲峰峰值，这与上一节理论分析的结果一致。

由上节的理论分析可知，图3中输出光功率随直流偏置电压的变化曲线，也是调制信号高电平对应的输出光功率P1随加载到调制器上脉冲调制信号的峰值电压的变化曲线，随着Vm 的增大，P1按正弦趋势变化，拟合Vm与P1的函数关系为：
由表1的实验数据可以看出，信号发生器输出的电压和真正加载到LiNiO3电光强度调制器上的调制电压有很大的差别，用脉冲调制的方法能够测量出调制电压，进而得到调制深度。

4 结束语
LiNiO3电光强度调制器可将连续光调制成脉冲光，该脉冲光可用于激光致声技术的研究。

文章提出了利用脉冲调制测量电光调制器调制深度的方法，并提出了提高调制深度的方案，从而能够获得激光致声研究中所需的高峰峰值的激光脉冲，本文的研究对激光技术的工程应用具有重要意义。

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