聲光調製器

調製器由介質、換能器、吸收（或反射）裝置及驅動電源等組成，其結構如圖1所示。

介質是指相互作用的區域。當一束光通過變化的機械波場時，由於光和機械波場的相互作用，其出射光就具有隨時間而變化的各級衍射光，利用衍射光的強度隨機械波強度的變化而變化的性質，就可以製成光強度調製器。

換能器（又稱發生器）可以利用某些壓電晶體（如石英、LiNbO3等）或壓電半導體（如CdS、ZnO等）的反壓電效應，在外加電場作用下產生機械波，因此它起着將調製的電功率轉換成功率的作用。

吸收（或反射）裝置放置在機械波源的對面，用以吸收已通過介質的機械波（工作於行波狀態），以免返回介質產生干擾，但要使機械波場為駐波狀態，則需要將吸收裝置換成機械波反射裝置。

驅動電源用以產生調製電信號施加於換能器的兩端電極上，驅動調製器（換能器）工作。

將信息加載於光頻載波上的一種物理過程。調製信號是以電信號（調幅）形式作用於換能器上，再轉化為以電信號形式變化的機械波場，當光波通過介質時，由於作用，使光載波受到調製而成為“攜帶”信息的強度調製波。

無論是拉曼-納斯衍射，還是布拉格衍射，其衍射效率均與附加相位延遲因子

有關，而其中折射率差Δn正比於彈性應變S幅值，而S正比於功率P_s，故當機械波場受到信號的調製使機械波強度隨之變化時，衍射光強也將隨之做相應的變化。布拉格調製特性曲線與電光強度調製相似，如圖2所示。可以看出：衍射效率η_s與功率P_s是非線性調製曲線形式，為了使調製波不發生畸變，則需要加偏置，使其工作在線性較好的區域。

對於拉曼-納斯型衍射，工作機械波波長高於30μm，圖3中（a）出了這種調製器的工作原理，其各級衍射光強為

的倍數。若取某一級衍射光作為輸出，可利用光闌將其他各級的衍射光遮擋，則從光闌孔出射的光束就是一個隨

變化的調製光。由於拉曼-納斯型衍射效率低，光能利用率也低，當工作波長較短時，剩餘的作用區長度L太小，要求的功率很高，因此拉曼-納斯型調製器只限於在長波工作，只具有有限的帶寬。

對於布拉格型衍射，其衍射效率給出。布拉格型調製器工作原理如圖3中（b）所示。在功率P_s（或強度I_s）較小的情況下，衍射效率η_s隨強度I_s單調地增加（呈線性關係），則

式中，cosθ_b因子是考慮了布拉格角對作用的影響。因此，若對強度加以調製，衍射光強也就受到了調製。布拉格衍射必須使光束以布拉格角θ_b入射，同時在相對於機械波陣面對稱方向接收衍射光束時，才能得到滿意的結果。布拉格衍射由於效率高，且調製帶寬較寬，故多被採用。 ^[1] 

調製帶寬是調製器的一個重要參量，它是衡量能否無畸變地傳輸信息的一個重要指標，它受到布拉格帶寬的限制。對於布拉格型調製器而言，在理想的平面光波和機械波情況下，波矢量是確定的，因此對給定入射角和波長的光波，只能有一個確定波長和波矢的機械波才能滿足布拉格條件。當採用有限的發散光束和機械波場時，波束的有限角將會擴展，因此，在一個有限的波長範圍內才能產生布拉格衍射。根據布拉格衍射方程，得到允許的帶寬Δf_s與波長λ和布拉格角的可能變化量Δθ_b之間的關係為

式中，Δθ_b是由於光束的發散所引起的入射角和衍射角的變化量，也就是布拉格角允許的變化量。設入射光束的發散角為δθ₁，機械波束的發散角為δφ，對於衍射受限制的波束，這些波束髮散角與波長和束寬的關係分別近似為

式中，ω₀為入射光束束腰半徑；n為介質的折射率；D為寬度。顯然入射角（光波矢k_i與機械波矢k_s之間的夾角）覆蓋範圍應為：Δθ=δθ_i+δφ

若將角內傳播的入射（發散）光束分解為若干不同方向的平面波（即不同的波矢k_i），對於光束的每個特定方向的分量在δφ範圍內就有一個適當波長和波矢的機械波可以滿足布拉格條件。而機械波束因受信號的調製同時包含許多中心波長的載波的傅里葉波譜分量。因此，對每個波長，具有許多波矢方向不同的機械波分量都能引起光波的衍射。於是，相應於每一確定角度的入射光，就有一束髮散角為2δφ的衍射光，如圖4所示。

而每一衍射方向對應不同的波長移動，故為了恢復衍射光束的強度調製，必須使不同波長移動的衍射光分量在平方律探測器中混波。因此，要求兩束最邊界的衍射光（如圖4中的OA′和OB′）有一定的重疊，這就要求δφ≈δθ_i，若取δφ≈δθ_i=λ/πnω₀，則調製帶寬為

上式表明，調製器的帶寬與機械波穿過光束的渡越時間（

）成反比，即與光束直徑成反比，用寬度小的光束可得到大的調製帶寬。但是光束髮散角不能太大，否則，0級和1級衍射光束將有部分重疊，會降低調製器的效果。因此，一般要求δθ_i<δφ，於是可得

即最大的調製帶寬(Δf)_m對應的波長(Δλ)_m近似等於波長λ_s的一半。因此，大的調製帶寬要採用短波布拉格衍射才能得到。

調製器的另一重要參量是衍射效率。根據晶體的相關知識，要得到100%的調製所需要的強度為

若要表示所需的功率，則為

可見，材料的品質因數M₂越大，欲獲得100%的衍射效率所需要的功率越小。而且換能器的截面應做得長（L大）而窄（H小）。然而，長度L的增大雖然對提高衍射效率有利，但會導致調製帶寬的減小（因為發散角δφ與L成反比，δφ值小意味着小的調製帶寬）。令

，帶寬可寫成

由此解出L，並應用晶體的相關知識可得

式中，λ₀為中心波長(帶寬等於v_s/λ_s)。引入因子

，M₁為表徵材料的調製帶寬特性的品質因數。M₁值越大，材料製成的調製器所允許的調製帶寬越大。 ^[2]