[发明专利]一种基于声光作用的全光纤光学移频器及其移频方法

权利要求书

1.一种基于声光作用的全光纤光学移频器，其特征在于，所述全光纤光学移频器包括：吸声衬底、超声换能器、射频信号发生器、超声角锥和单模光纤；其中，所述单模光纤被去掉了最外层的涂覆层，只保留中间的纤芯以及包裹纤芯的包层；通过刻蚀或拉锥，使得单模光纤的包层具有两段直径变细的区域，分别为第一声光作用区和第二声光作用区，在二者之间包层直径不变的区域为间隔区，在每一段声光作用区的两端包层的直径逐渐变化的区域为缓冲区；所述第一和第二声光作用区的直径与超声换能器的共振频率相匹配，射频信号发生器的工作频率在超声换能器的共振频率附近；在吸声衬底上设置超声换能器；所述超声换能器连接至射频信号发生器；在超声换能器上设置超声角锥；所述超声角锥的顶部连接单模光纤的间隔区的外壁；所述第一声光作用区和第二声光作用区分别位于超声角锥的顶部的左右两侧；所述单模光纤的左端为输入端口，右端为输出端口；射频信号发生器发出电信号至超声换能器；超声换能器将电信号转换为超声波，吸声衬底保证超声波单向传输至超声角锥；超声角锥将超声波放大后传输入至单模光纤的间隔区，并分别向左右两边传播至第一声光作用区和第二声光作用区；入射光从单模光纤的输入端口入射，并且以纤芯基模即LP₀₁模的形式在单模光纤中稳定传输，当入射光满足相位匹配条件时，在第一段声光作用区，在超声波的作用下，纤芯基模就会被耦合到同向传输的包层模即LP₁₁模中，此时声光效应是由向左传输的行波引起的，因而到达间隔区的光相对于入射光会产生上频移；光经过间隔区，传输到第二声光作用区时，由于声光效应是由向右传输的行波引起的，在超声波的作用下，此时包层模耦合到纤芯基模，因而最终从出射端口射出的出射光相对于入射光会产生上频移，并且频移的频率为所加声波频率的两倍。

2.如权利要求1所述的全光纤光学移频器，其特征在于，所述吸声衬底采用金属，从而保证超声波能够最大限度的从超声换能器的前表面发射。

3.如权利要求1所述的全光纤光学移频器，其特征在于，所述超声换能器使用的压电材料。

4.如权利要求1所述的全光纤光学移频器，其特征在于，所述入射光满足相位匹配条件：

L_B＝Λ

其中，L_B＝2π/(β₀₁-β_1μ)为LP₀₁模和LP_1μ模对应的拍长，为超声波的波长，也就是超声波在光纤中形成的周期性折射率调制的周期，β₀₁＝2πn₀₁/λ和β_1μ＝2πn_1μ/λ分别为LP₀₁模和LP_1μ模的传播常数，n₀₁和n_1μ分别为LP₀₁模和LP_1μ模的有效折射率，R为声光作用区的直径，C_ext为超声波在单模光纤中的传播速度，f为所加载超声波的频率。

5.如权利要求1所述的全光纤光学移频器，其特征在于，所述单模光纤中，第一和第二声光作用区的直径与超声换能器的共振频率相匹配。

6.如权利要求1所述的全光纤光学移频器，其特征在于，所述第一声光作用区的长度L₁和第二声光作用区的长度L₂相等，且满足5cm≤L₁＝L₂≤8cm。

7.如权利要求1所述的全光纤光学移频器，其特征在于，所述间隔区的长度L₃≤4cm。

8.如权利要求1所述的全光纤光学移频器，其特征在于，所述缓冲区满足包层模传输的绝热近似条件。

9.一种基于声光作用的全光纤光学移频器的移频方法，其特征在于，所述移频方法包括以下步骤：

1)将单模光纤去掉最外层的涂覆层，只保留中间的纤芯以及包裹纤芯的包层；

2)通过刻蚀或拉锥，在单模光纤的包层制备两段直径变细的区域，分别为第一声光作用区和第二声光作用区，在二者之间包层直径不变的区域为间隔区，在每一段声光作用区的两端包层的直径逐渐变化的区域为缓冲区；

3)在吸声衬底上设置超声换能器，超声换能器连接至射频信号发生器，在超声换能器上设置超声角锥，将超声角锥的顶部粘接至单模光纤的间隔区的外壁；

4)射频信号发生器发出电信号至超声换能器；

5)超声换能器将电信号转换为超声波，吸声衬底保证超声波单向传输至超声角锥；

6)超声角锥将超声波放大后传输入至单模光纤的间隔区，并分别向左右两边传播至第一声光作用区和第二声光作用区；

7)入射光从单模光纤的输入端口入射，并且以纤芯基模即LP₀₁模的形式在单模光纤中稳定传输，当入射光满足相位匹配条件时，在第一段声光作用区，在超声波的作用下，纤芯基模就会被耦合到同向传输的包层模即LP₁₁模中，此时声光效应是由向左传输的行波引起的，因而到达间隔区的光相对于入射光会产生上频移；

8)光经过间隔区，传输到第二声光作用区时，由于声光效应是由向右传输的行波引起的，在超声波的作用下，此时包层模耦合到纤芯基模，因而最终从出射端口射出的出射光相对于入射光会产生上频移，并且频移的频率为所加声波频率的两倍。