Спектроанализаторы аналоговых высокочастотнчх сигналов

ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА И ОПТИЧЕСКИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ДЛЯ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ (часть 1)

Лекция 5

Наиболее разработанными в настоящее время являются интегрально-оптические спектроанализаторы аналоговых высокочастотных сигналов (ОИС-спектроанализаторы). Схема ОИС-спектроанализатора приведена на рис. 5.1. В зависимости от вида взаимодействия световой волны с возмущением в волноводе различают акустооптические и электрооптические ОИС-спектроанализаторы электрических высокочастотных сигналов. Электрооптические ОИС-спектроанализаторы пока не получили широкого распространения из-за ограниченного динамического диапазона обрабатываемых сигналов.

Типичный ОИС-спектроанализатор состоит из следующих основных частей: входного преобразователя электрического сигнала в пространственно-модулированный оптический сигнал, оптической волноводной системы, выходного преобразователя оптического сигнала в электрический.

Входной преобразователь электрического сигнала в пространственно-модулированный оптический сигнал включает приемник входного электрического сигнала, смеситель и усилитель промежуточной частоты и встречно-штыревой преобразователь для возбуждения ПАВ. Оптическая волноводная система с помощью планарных волноводных линз формирует в волноводе параллельный пучок оптического излучения от внешнего состыкованного с волноводом полупроводникового лазера и осуществляет Фурье-преобразование пространственно-модулированного оптического сигнала. Выходной преобразователь оптического сигнала в электрический представляет собой линейку или матрицу фотоприемников.

ОИС-спектроанализатор может быть выполнен в виде гибридной ОИС на основе планарного волновода из ниобата лития либо аморфного диэлектрика (например, Та₂О₅) с изолирующим слоем SiO₂ на кремниевой подложке, состыкованной с полупроводниковым лазером и матрицей фотоприемников.

Основными характеристиками ОИС-спектроанализатора являются разрешение по частоте δ f, ширина полосы частот Δ f и центральная частота f₀ высокочастотного сигнала, относительная ширина спектра излучения δ λ / λ полупроводникового лазера, тесно взаимосвязанные с оптическими и геометрическими параметрами ОИС: апертурой D, фокусным расстоянием планарной линзы F, линейным размером s элементарного фотоприемника в матрице. 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 δ f:

,

где v_a - скорость ПАВ; р - числовой множитель (обычно р ≈1,4). Для обеспечения максимальной дифракционной эффективности оптического излучения в волноводе, теоретически равной в режиме брэгговской дифракции 100%, апертура встречно-штыревого преобразователя ПАВ L должна быть

,

где n* - эффективный показатель преломления, Λ - длина ПАВ. Угловая расходимость Δ θ входного волноводного пучка в планарном волноводе, падающего на фазовую дифракционную решетку, индуцированную ПАВ, не должна превышать дифракционной расходимости пучка в волноводе:

. (5.1)

Это условие выполнить довольно трудно (типичное значение Δ θ согласно (5.1) составляет 0,05 мрад). Однако на практике более существенное ограничение на разрешение по частоте δ f накладывает минимальный размер фотоприемника s. Поэтому условие (5.1) может быть сведено к более простому: Δ θ <s/F, что несложно выполнить на практике (при s =12 мкм и F= 21 мм Δ θ <0,44 мрад). При этом относительная ширина спектра излучения полупроводникового лазера δ λ/λ не должна превышать относительного разрешения δ f / f₀.

Дата добавления: 2014-01-15