基于声光效应的音频声光通信研究

白秀丽 张秀贤

摘要：分析了基于声光效应的布拉格衍射的基本原理，对布拉格衍射时声光器件的调制、带宽和中心频率特性进行实验研究， 并对音频声光模拟通信过程进行了详细分析，为声光通信的实际应用研究提供了可靠依据。

关键词：声光效应；布拉格衍射；幅度调制；频率特性；音频声光通信

中图分类号：TN929.13 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）07-0042-03

超声波在介质波中的传播，会引起介质光折射率的周期性调制，形成所谓“声光栅”。光通过声光栅，导致光传播方向的偏转（声光衍射）和衍射光强度的调制，这就是声光效应。早在1932年法国的Lucas和Biquard就对声光效应做了实验研究。1960年激光器的问世[1]，为声光器件的研究提供了理想的光源，人工晶体如LiNbO3和TeO2等的成功生产为声光器件提供了性能优良的声光材料[2]，使得声光器件具有良好的发展前景。通过改变超声波的频率和功率，可实现对衍射光束的强度、频率和方向的调制。利用声光效应制成的声光调制器、声光偏转器和可调谐滤光器等声光器件，在激光技术、光通信技术和表面波技术等方面有着重要的应用[3-5]。

声光效应可产生布拉格衍射（Bragg）和拉曼纳斯衍射，但通过合理选择参数，布拉格一级衍射效率理论上可达到100%，而喇曼-纳斯衍射中一级衍射光的最大衍射效率仅为34%[3]。因此，本文主要对布拉格衍射条件下声光器件的性能进行研究，利用origin软件对进行实验数据处理，详尽分析了声光调制的幅度特性及频率特性；通过构建声光通信实验系统，对音频声光模拟通信进行了研究。

1 基于声光效应Bragg衍射的基本原理

高频率的超声波会增大声光相互作用长度（L），当光波与声波面成一定角度入射时，此时的声扰动介质等效于周期结构立体相位光栅。当声光作用的距离满足L>2λS2/λ（λ为光波波长，λs为超声波波长）时，且光波的入射角满足布拉格衍射角时，各级衍射光在介质内相互干涉，抵消了高级次衍射光，只剩0级和+1级（或-1 级）衍射光的现象，称为布拉格衍射，衍射光强如图1所示。

当发生布拉格衍射时，设入射光强为Ii，则1级衍射光强可表示为：

上式中，Δn为声致折射率的变化。在各向同性的介质中，由应变引起的折射率变化Δn可表示为：

式中，P为介质的弹光系数，S为声场作用下介质的弹性应变幅值。则一级衍射光的衍射效率可表示为：

式中，PS为超声波功率，L和H为超声换能器的长和宽，M2为反映声光介质本身性质的一常数。

2 声光器件调制特性和频率特性分析

声光效应实验中，光源选用波长为650nm的半导体激光器，中心频率为100MHz的声光器件，声光介质材料为钼酸铅（n=2.386），信号发生器的频率可调范围为80～120MHz，功率信号源在0-100mA可调。

2.1 声光器件的频率特性分析

对声光器件的频率特性分析而言，中心频率和带宽是两个非常重要的参数。在布拉格衍射下，固定超声波功率，测量1级衍射光的相对强度I1与超声波的频率fs，利用origin软件作出其关系曲线图如图2所示。一般规定衍射效率最大时对应的工作频率称为声光器件的中心频率，衍射效率降到最大值的时对应的频宽间隔称为声光器件的带宽[6]。由图2可确定，该声光器件的中心频率为99.5MHz，此时衍射效率高达98.5%。找出相对强度下降到最高值的时对应的频率为：f1=85MHz，f2=108.5MHz。可知带宽Δfs=23.5MHz。

2.2 声光调制特性分析

布拉格衍射下，固定功率信号源的超声波频率在上述分析的的中心频率99.5MHz上，记录0级光强（I0）和1级衍射光强（I1）以及超声波功率（Ps），可得出其相对声光调制曲线如图3所示。由图可以看出：随着信号源功率的增大，0级衍射光逐渐减小，1级衍射光逐渐增大。当功率较低时，起主要作用的是0级衍射，当功率大于72mA时，1级光强度超过了0级光强度，起主要作用的是1级衍射光。因此，可以通过调节超声波功率的大小实现对衍射光光强的控制。

3 模拟声光通信实验

利用声光效应产生的布拉格衍射，对音频信号进行調制，可实现声光模拟通信，其实验装置原理图如图4所示。在模拟声光通信实验中，功率信号源打在“调幅”档，信号发送器将音频信号加载在由声光功率信号源产生的高频的声波中。声光功率信号源将调幅信号发送至声光器件，在声光效应的作用下发生布拉格衍射，衍射光光强被调制。载有调制信号的衍射光在光电池盒中被转换为电信号，经过模拟通信接收器的解调、放大等处理，重现原信号，完成音频信息的传输。

在实验前，首先要调节激光源功率及功率信号源幅度，使衍射光强适中，避免信号饱和引起的传输失真[7]。实验解调信号可通过扬声器播放，为了更直观也可通过示波器波形变化显示出调制的过程，信号波形如图5、图6所示。首先，改变超声波频率的大小，当频率变大时，示波器上的光电信号随之变密集，这是因为激光经过调幅调制为载有音频信号的信息，在示波器上显示的波形因频率变大而变得密集了，反过来波形会变得稀疏。其次，改变功率信号源的大小，示波器上波形的振幅大小随功率的增大而相应增大，原因是功率的大小决定了超声波的能量，也决定了对激光的调制能力，振幅也就随功率相应变化。从图中可以看出，接收器重现的信号随超声波频率和功率信号源的功率变化而变化，这是由于音频信号在声光器件中受到功率信号源的调幅调制。

4 结语

本文对布拉格衍射条件下声光器件的调制特性和频率特性进行了实验分析，结果显示，该声光器件有较高的中心频率和较大的带宽幅度，意味着可以在超声载波中调制更高的模拟信号频率。此外，本文还对音频声光通信进行了模拟，实验验证了该声光器件对音频信号起到了很好的调制作用，在今后的研究中开展视频信号的声光通信实验还有待进一步的研究。该研究不仅为声光效应实验提供了完备的理论指导，更为声光通信的实际应用研究提供了可靠依据。

参考文献

[1]Lucas R， Biquard P. Propriétés optiques des milieux solides et liquides soumis aux vibrations élastiques ultra sonores[J].Journal De Physique，1932，3（10）：464-477.

[2]严一民，陈啸宇，王素飞，等.PbMoO4和TeO2声光偏转器的仿真及特性分析[J].压电与声光，2015，37（1）：10-12.

[3]于艳春，李冠成，王秉坤，等.声光效应实验装置及实验研究[J].光学仪器，2004，26（6）：52-57.

[4]付琼，金韬，周诠. 基于声光效应的光束偏转控制理论研究[J].光子学报，2007，36（6）：1083-1087.

[5]林伟，薛峰，张晔晖，等.声光可调谐滤光器的原理与应用[J].微计算机信息，2005，（18）：127-128.

[6]逯美红，郝少倩，王志军.基于声光效应的声光器件特性研究[J].通信技术，2012，（11）：102-105.

[7]高晶.声光调制器驱动源及其通信系统研究[D].中北大学，2013.