Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации - Семенов А.С.
ISBN 5-256-00738-6
Скачать (прямая ссылка):
Основными характеристиками ОИС-спектроанализатора являются разрешение ,по частоте б/, ширина полосы частот Af и центральная частота /о высокочастотного сигнала, относительная ширина спектра излучения 6 АД полупроводникового лазера, тесно взаимосвязанные с оптическими и геометрическими параметрами ОИС: апертурой D, фокусным расстоянием планарной линзы F, линейным размером s элементарного фотоприемника в матрице. Методика расчета акустооптического ОИС-спектроанализатора подробно рассмотрена в [20]. Анализ показывает, что линейный размер фотоприемника s должен быть не меньше дифракционного изображения волноводного пучка в фокальной плоскости линзы, осуществляющей его фурье-преобразование, и не должен превышать линейного смещения фокального пятна, соответствующего минимальному разрешению по частоте б/:
pKFln* D^s^bfXFln*va, (7.1)
где V3 — скорость ПАВ; р — числовой множитель (обычно р» 1,4). Для обеспечения максимальной дифракционной эффективности оптического излучения в OB, теоретически равной в режиме брэг-говской дифракции 100%, апертура встречно-штыревого преобразователя ПАВ должна быть
L>2/z*A2/A, (7.2)
где А — длина ПАВ. Угловая расходимость Д0 входного волноводного пучка в планарном OB, падающего на фазовую дифракционную решетку, индуцированную ПАВ, не должна превышать дифракционной расходимости пучка в OB:
Д0<6 f XInvi = XIn* D. (7.3)
Это условие выполнить довольно трудно (типичное значение АО согласно (7.3) составляет 0,05 мрад). Однако на практике более существенное ограничение на разрешение по частоте б/ накладывает минимальный размер фотоприемника s. Поэтому условие (7.3) может быть сведено к более простому: A0<s//7, что неслож-
но Рис. 7.2. Зависимости относительной ширины элементарного фотодетектора s/F (1), оптической апертуры D (2) и ширины спектра излучения &Х лазера (J) от частотного разрешения б/ спектроанализатора [20]
S/F 0 1 2 J 4 S
I I I і і
0,6 - I 1 /-
0,5 \ /у-
_<—- ___^___ / /
OA - У—
rI і
OJ - \ // I
V/ I
0,2 - I I
I J 2 -
0,1 - /' I
Т" I і і I » і
S\,HM
S
но выполнить на практике (при S= 12 мкм и F=27 мм Д0^О,44 мрад). При этом относительная ширина спектра излучения полупроводникового лазера 6АД не должна превышать относительного разрешения o///o- ~
Зависимости величин s/F, D и 6A, от б/, с помощью которых можно рассчитать основные характеристики ОИС-спектроанализа-тора, приведены на рис. 7.2. Для типичных параметров спектроанализатора на основе ниобата лития (Х = 0,83 мкм, п* = 2,17, Va = 3,5 • IO3 м/с, /о = 600 МГц) находим, что разрешению б/= = 4 МГц соответствует значение s/F=0,44-10_3 при минимальном диаметре оптического пучка D= 1,2 мм и 6A. = 5,54 нм- При этом для размера фотоприемника S= 12 мкм фокусное расстояние планарной линзы, осуществляющей фурье-преобразование, F= = 27,27 мм, а для s = 7,5 мкм F=I7,05 мм. Для повышения разрешения по частоте б/ до 1 МГц необходимо уменьшить отношение s/F до 0,11-IO-3, что при s = 7,5 мкм соответствует фокусному расстоянию планарной линзы .F = 68,18 мм, оптической апертуре D = 5 мм и 6Я,= 1,36 нм. Реализация ОИС-спектроанализато-ров с такими характеристиками на основе ниобата лития оказывается затруднительной и дорогостоящей по технологическим причинам.
Разработаны, реализованы и исследованы ОИС-спектроанализаторы на основе ниобата лития У-ереза с разрешением S/ = = 4 МГц в полосе Д/ = 500 МГц с центральной частотой f0 = = 1 ГГц и динамическим диапазоном до 40 дБ [83]. Технология изготовления и требования к отдельным элементам ОИС-спектроанализаторов такого типа подробно рассмотрены в [20]. В качестве планарных линз в спектроанализато-рах находят применение фокусирующие волноводные элементы различного типа: линзы Лунеберга, геодезические, дифракционные линзы, в том числе линзы Френеля. Для расширения полосы частот обрабатываемых сигналов используются многоэлементные и аподизированные встречно-штыревые преобразователи ПАВ.
С целью уменьшения размеров подложки ОИС предложен трехпроходный ОИС-спектроанализатор с двумя дифракционными решетками объемного типа с монотонно изменяющимся перио-•одом [64]. Такие решетки расположены на противоположных торцах подложки ниобата лития с планарным OB и выполняют •одновременно роль фокусирующих и спектральных элементов. Разработанный ОИС-спектроанализатор имеет длину 15 мм и
.171 обеспечивает разрешение 4 МГц в полосе частот 1 ГГц (/о=0,333... ... 1,333 ГГц). Эффективно работающий спектроанализатор потребляет до 2 Вт электрической мощности.-
Для одновременного повышения акустооптического качества материала планарного OB и уменьшения потребляемой ОИС мощности волновод на основе ниобата лития может быть выполнен составным с помощью нанесения на его поверхность тонких не-волноводных [168] и волноводных пленок ХСП системы As—S, что позволяет в несколько раз снизить потребляемую мощность для обеспечения эффективного акустооптического взаимодействия в OB.
Динамический диапазон большинства разработанных ОИС-спектроанализаторов не превышает 30 дБ. Его можно увеличить, применяя оптические линзы с малыми значениями радиуса кривизны и фокусного расстояния и OB с повышенным уровнем лучевой прочности материала. Разработаны и изготовлены ОИС-спектроанализаторы на основе ниобата лития с динамическим диапазоном, превышающим 40 дБ [83].
