2022年7月、10月，我國陸續(xù)發(fā)射“問天”和“夢天”兩個實驗艙，是實現(xiàn)載人航天工程“三步走”戰(zhàn)略的重要目標，也是建設航天強國、科技強國的重要標志。夢天實驗艙主要面向微重力科學研究，研制了空間科學研究與應用領域的超冷原子物理實驗柜、高精度時頻實驗柜等7個方面8個科學實驗柜[1]。其中，超冷原子物理實驗柜突破了全光纖激光鏈路、高精度激光穩(wěn)定、大電流磁阱控制等一系列關鍵技術(shù)，建立了可靠的空間冷原子實驗平臺，為我國空間原子物理基礎研究和量子技術(shù)奠定了基礎。

光纖聲光調(diào)制器內(nèi)部主要包含聲光晶體與光纖準直器等，如圖1所示。調(diào)制信號以電信號（調(diào)幅、調(diào)相或調(diào)頻）形式作用于壓電換能器上，通過改變輸入調(diào)制信號的頻率、幅度等輸入特性，實現(xiàn)對輸入激光的調(diào)頻和調(diào)幅。壓電換能器由于壓電效應將電信號轉(zhuǎn)化為相同規(guī)律變化的超聲信號在聲光介質(zhì)中傳播，聲光介質(zhì)的折射率發(fā)生周期性變化后形成一個折射率光柵，激光通過光纖準直器傳入聲光介質(zhì)會產(chǎn)生衍射，衍射光的頻率在原輸入激光頻率上疊加了一個超聲頻率。調(diào)整好光纖準直器位置使光纖聲光調(diào)制器工作在最佳狀態(tài)，此時使入射光束的入射角滿足布拉格衍射條件，衍射模式為布拉格衍射，這時入射光的能量幾乎全部轉(zhuǎn)移到一級衍射光中[3]。

光纖聲光調(diào)制器在全光纖激光鏈路系統(tǒng)中的應用如圖2所示。第一聲光模塊用于系統(tǒng)光放大器前端，對前端連續(xù)輸入光進行光脈沖調(diào)制，調(diào)制后的光脈沖進入系統(tǒng)光放大模塊進行能量放大。第二聲光模塊用于光放大器后端，其作用是對系統(tǒng)放大后的光脈沖信號基底噪聲進行隔離。

第一聲光模塊輸出的光脈沖前后沿呈對稱分布，在進入光放大器后，由于放大器對脈沖前沿的增益高于脈沖后沿，將導致放大后的光脈沖會出現(xiàn)能量集中于前沿的波形失真現(xiàn)象，如圖3所示。為使系統(tǒng)獲得前后沿對稱分布的光脈沖，需要第一聲光模塊采用模擬調(diào)制方式，由系統(tǒng)控制單元對第一聲光模塊上升沿進行調(diào)節(jié)，以增大聲光模塊的光脈沖上升沿，彌補光放大器在脈沖前后沿的增益不均勻性，如圖4所示。

系統(tǒng)的光放大器不僅會放大有用的光脈沖信號，同時也會將脈沖序列的基底噪聲進行放大。為獲得高的系統(tǒng)信噪比，利用光纖聲光調(diào)制器的高消光比特點，在放大器后端對基底噪聲進行抑制，最大程度地保證系統(tǒng)信號脈沖能夠有效通過，同時避免基底噪聲進入時域聲光快門（時域脈沖門）。采用數(shù)字調(diào)制方式，利用 TTL 電平信號控制聲光模塊的開關，以保證聲光模塊時域脈沖上升沿為產(chǎn)品的設計上升時間（即產(chǎn)品能夠獲得的最小上升時間），脈沖寬度取決于系統(tǒng) TTL 電平信號脈沖寬度。第二聲光模塊在系統(tǒng)中的功能如圖5所示。

• 耐受高光功率

光纖聲光調(diào)制器能夠承受較強的激光功率，確保高功率激光能夠順利通過。在全光纖激光鏈路中，光纖聲光調(diào)制器將連續(xù)光變?yōu)槊}沖光、由于光脈沖占空比較低，光能量大部分位于零級光之中。聲光晶體外一級衍射光和零級光以發(fā)散的高斯光束方式進行傳播，雖然滿足嚴格可分離條件[4]，但零級光的部分光能量會累積在光纖準直器邊緣，無法通過光纖傳輸出去，最終燒穿光纖準直器。通過高精度六維調(diào)節(jié)架將光闌結(jié)構(gòu)置于光路中，限制衍射光在準直器中心傳輸，零級光傳輸至外殼，避免零級光燒壞光纖準直器，如圖6所示。

• 快速上升時間

在全光纖激光鏈路中，光纖聲光調(diào)制器的快速光脈沖上升時間，最大程度地保證系統(tǒng)信號脈沖能夠有效通過，同時避免基底噪聲進入時域聲光快門（時域脈沖門）。實現(xiàn)快速光脈沖上升時間的核心是減少超聲波穿過光束的渡越時間，主要方法是減小入射光束腰直徑或者采用聲速大的材料制作聲光晶體[5]。以“夢天”冷原子柜中使用的 SGTF200-1064-1PFG-HP 型高性能保偏光纖聲光調(diào)制器為例，光束束腰直徑減小至亞微米級，且采用特殊切向的新型材料，實現(xiàn)了上升時間小于10 ns，實測圖如圖7所示。

• 低功耗、高可靠性

航天器資源有限、條件嚴苛、環(huán)境復雜，對光纖聲光調(diào)制器的功耗及可靠性有著更高的要求。光纖聲光調(diào)制器采用特殊切向的聲光晶體，其聲光品質(zhì)因數(shù)M2 高，因此在相同衍射效率條件下所需驅(qū)動功耗低[6]。光纖聲光調(diào)制器采用這種低功耗的設計，不僅減少了對驅(qū)動功耗的需求、節(jié)約了航天器中有限的資源，同時也降低了驅(qū)動信號的電磁輻射，減輕系統(tǒng)散熱壓力。

根據(jù)航天器產(chǎn)品禁（限）用工藝要求，常規(guī)光纖聲光調(diào)制器晶體安裝方式僅采用單面硅橡膠粘固工藝，一旦硅橡膠失效，會使晶體技術(shù)參數(shù)在振動條件下發(fā)生變化，不滿足航天產(chǎn)品工藝要求。激光鏈路中光纖聲光調(diào)制器晶體改用機械固定與硅橡膠粘固相結(jié)合的方式對晶體進行固定，上下底面安裝結(jié)構(gòu)盡量對稱，同時最大限度增大晶體表面與安裝外殼間的接觸面積，具有散熱能力強且溫場對稱分布的優(yōu)點。常規(guī)準直器采用硅橡膠粘接的方式固定，在高溫、振動等情況下會發(fā)生偏移，影響產(chǎn)品性能。現(xiàn)采用機械結(jié)構(gòu)固定光纖準直器，增強了產(chǎn)品穩(wěn)定性，滿足航天產(chǎn)品工藝要求。

本文介紹了高功率高速光纖聲光調(diào)制器在冷原子柜中的應用，以及高功率高速光纖聲光調(diào)制器的特點。目前中國電科26所在高功率高速光纖聲光調(diào)制器性能上取得了不錯的研究成果，并將其產(chǎn)品化?！皦籼臁睂嶒炁摵罄m(xù)將建立世界上第一套由氫鐘、銣鐘、光鐘組成的空間冷原子鐘組[1]，與之需求相結(jié)合，如何得到更高的衍射效率、更可靠、高帶寬、體積更小的高功率高速光纖聲光調(diào)制器是下一步的研究重點。