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声光器件是二十世纪后期发展起来的一种新型光电子器件,它是利用超声波对激光产生的声光效应控制衍射光的方向、强度、频率。按照用途可以将声光器件分为声光偏转器、声光调强器、声光调频器、声光滤光器等。按照所使用的超声波可以将声光器件分为体波声光器件和表面波声光器件两大类。体波声光器件所使用的超声波称体声波,它是在声光互作用晶体内部传播的,表面波声光器件所使用的超声波称表面声波,它是在声光互作用晶体的表面上传播的。声光器件具有偏转速度或调制速度快、带宽大、衍射效率高、使用灵活等优点,它还可以使用一个器件同时实现偏转与调制两个功能。尤其是表面波声光器件更是具有体积小、重量轻、驱动功率小、寿命长、易于集成、易于与计算机兼容等优点,使得它在光信号处理、光纤通信、军事、光纤传感技术等许多领域中有着重要的应用。
表面波声光器件使用具有压电效应的晶体作为衬底,直接在衬底晶面上镀叉指换能器即可激发表面声波。由此可见,压电晶体是制作声光器件必不可少的重要材料。并不是所有晶体都具有压电效应,只有那些无对称中心的晶体才可能具有压电效应。在众多压电晶体中,铌酸锂(LiNbO3)晶体和石英(SiO2)晶体具有压电系数大、机械品质因数高、机电耦合系数大等优点,是目前大家所公认的较好的压电材料,故对它们的表面声波基本性质的研究十分必要。
本文从铌酸锂和石英晶体的点群对称性出发,利用矩阵变换法推导出了它们的劲度系数、介电系数、电光系数、声光系数和压电系数等各个矩阵的形式。通过分析压电效应和反压电效应对压电晶体力学性质所产生的影响,提出了压电修正劲度系数的概念,并计算出铌酸锂和石英晶体的压电修正劲度系数。提出了一种新的计算表面波声速度的循环迭代法,该方法具有运算速度快、运算精度高等优点。使用该方法,利用本征表面波声学基本方程和本征表面波力学边界条件方程,在铌酸锂和石英晶体的三个坐标平面内,系统计算沿不同方向的压电修正与非压电修正本征表面波声速,并首次绘制出相应的表面波倒速度曲线。表面波倒速度曲线的形状、对称性以及周期都与晶胞结构在相应平面的投影图是一致的,这说明本征表面波倒速度曲线与晶体点群对称性具有内在的联系。利用压电增劲表面波声学基本方程、压电增劲表面波力学边界条件方程和压电增劲表面波电学边界条件方程,计算了铌酸锂和石英晶体在退耦坐标平面内的表面波机电耦合系数,并确定出它们作为表面波声光器件衬底时的最佳切割方向。对铌酸锂和石英晶体的表面波声学基本性质的研究为表面波声光器件的设计制作打下一个坚实的理论基础,具有理论指导意义和实际应用价值。
以参量互作用理论为基础建立起来的耦合波方程理论是解释声光互作用的重要理论,目前用此理论已能够很好地解释体波声光效应。本文将此理论首次拓宽到共线型和非共线型表面波平面波导声光效应、共线型和非共线型表面波平面波导声电光效应和表面波光纤波导声光效应。推导出各类表面波声光效应相应的衍射效率计算公式,并画出衍射效率随各参量变化的计算机模拟曲线。研究成果使得声光效应的耦合波方程理论更趋系统完善。
本文首次研制出共线型表面波平面波导声电光调制器、非共线型表面波平面波导声电光调制器、共线型表面波光纤波导声光调制器。给出了叉指换能器的设计方法和表面波器件的工艺流程。对这三种器件的电学性能、声光性能或声电光性能进行了测试。其中电学性能的测试包括器件的电功率反射系数、电功率吸收系数、输入阻抗和输入导纳,并由此确定器件换能器的中心频率。声光性能的测试包括两项,一是衍射或输出光功率随驱动电信号频率而变化的特性,并由此确定整个器件的中心频率和频带宽度。二是衍射或输出光功率随驱动电信号功率而变化的特性,并由此确定器件的每瓦衍射效率或每瓦转换效率。声电光性能的测试也包括两项,一是衍射或输出光功率随直流电压而变化的特性。二是器件中心频率随直流电压而变化的特性,从而验证了声电光效应可以改变器件的中心频率,并由此确定器件中心频率的变化率。测试结果表明,共线型表面波平面波导声电光调制器的换能器中心频率为166.65MHz、器件中心频率为168.64MHz、带宽为0.38MHz、调制工作点范围内平均每瓦转换效率为9.92·w-1、中心频率变化率为0.018MHz/V。非共线型表面波平面波导声电光调制器的换能器中心频率为99.4568MHz、器件中心频率为100MHz、带宽为3.3MHz、调制工作点范围内平均每瓦衍射效率为8.75％·w-1、中心频率变化率为0.01MHz/N。共线型表面波光纤波导声光调制器的换能器中心频率为10.79MHz、器件中心频率为10.9MHz、带宽为3.5MHz、调制工作点范围内平均每瓦转换效率为1.51％·w-1。实验研究的结果很好地验证了理论研究的结论。
本文研究结果填补了晶体表面波声学理论研究和表面波声光互作用耦合波方程理论研究中的部分空白,为表面波声光器件和表面波声电光器件的设计、制作、测试提供了重要的指导作用和科学依据,具有实际应用价值。