книги / Обработка радиосигналов акустоэлектронными и акустоопритческими устройствами

отработанной технологии выращивания высококачественных MÔHÔ- крпсталлов н его высокую механическую прочность.

Прп изготовлении планарных оптических волноводов жела­ тельно обеспечить хорошую повторяемость их характеристик при максимальной простоте метода изготовления; волновод должен каналировать небольшое число собственных мод. Кролю того, при создании на основе этих волноводов высокочастотных устройств интегральной акустооптики для их достаточной эффективности следует обеспечить сравнительно небольшие (~ 1 мкм) глубины проникновения в подложку нулевых мод оптических волноводов, обычно нспользуелшх пз-за более высокой, по сравнению с модами высших порядков, эффективности акустооптнческой дифракции. Необходнлшм условием этого является в свою очередь получение достаточно больших изменений показателя преломления подло­ жки в результате диффузии. Поэтому одной из основных характе­ ристик волновода является вид функции Дп (х ), описывающей за­

висимость изменения показателя преломления от расстояния от поверхности подложки.

В тех случаях, когда требуется сформировать планарные свето­ воды с минимальным затуханием, панлучшие результаты дает лютод обратной диффузии [1, 2]. Повторяемость характеристик волноводов при этом может быть обеспечена за счет проведения диффузии при высокотемпературном отжиге в потоке кисло­ рода [2]. Нами было исследовано формирование оптических волно­ водов за счет обратной диффузии при отжиге в потоке воз­ духа, что значительно упрощает процесс формирования волно­ водов.

Отжиг в потоке воздуха позволил осуществить сравнительно дюдленное формирование оптических волноводов, что и обеспечило требуемую повторяемость характеристик. Так, одномодовый вол­ новод формировался в результате полуторачасового отжига об­ разца из нпобата лития У-среза. При увеличении времени отжига до 9 ч число собственных мод волновода возрастало до 7. Иа рис. 1, а представлен восстановленный на основании измерений

эффективных показателей преломления мод профиль изменения показателя преломления для одного из изготовленных оптических волноводов (точки). Профиль хорошо совпадает с ожидаемым (сплошная линия). Для сравнения нами были изготовлены опти­

ческие волноводы в пиобате лития методом обратной диффузии в вакууме [1] и в замкнутом объеме воздуха. В первом случае образцы приобретали черио-коричневую окраску, во втором — светло-желтый оттенок, тогда как образцы, нагревавшиеся в по­ токе воздуха, оставались бесцветными. Изменение окраски образ­ цов связапо с потерей кислорода в процессе обратной диффузии. Экспериментальное исследование сформированных световодов по­ казало наличие большого числа собственных мод в образцах, из­ готовленных при отжиге в вакууме при временах отжига порядка нескольких минут. Волноводы, сформированные при отжиге в зам­ кнутом объеме, содержали меньшее количество мод, чем получеп-

ные при отжиге в потоке воздуха, при большем затухании в них света.

В тех случаях, когда в интегрально-оптических устройствах мо­ гут быть использованы оптические волноводы со значением затухаппя света (~ 1 дБ/см) или же требуется изготовить ИАОУ с рабочими частотами, лежащими в области сотен мегагерц, как правило, применяются оптические волноводы, сформированные при проведеппи дпффузип нз плепок диффузапта, нанесенных на поверхность подложек [3—5]. Нами было исследовано формирова­ ние оптических волноводов в подложках нз Y -среза ниобата лития путем дпффузип из пленки двуокиси титана при отжиге в потоке воздуха, что упрощает технологию по сравнению со случаем от­ жига в вакууме [3], инертном газе [4] или кислороде [5]. На об-

Рнс. 1. Рассчитанный профиль изменения показателя преломления для опти­ ческого волновода, сформированного за счет обратной диффузии (а) и прямой дпффузип нз окисленной пленки тнтапа (б) при отжиге в потоке воздуха,

атакже экспериментальные точки.

а— в течение 9 ч, б — 7 ч. Толщина плсшш титана — 0.04 мкм.

разец вакуумным испарением наносилась пленка металлического титана, после чего он нагревался до температуры 980 °С в потоке воздуха. Скорость пагрева выбиралась таким образом, чтобы к моменту достижения температуры 700 °С пленка титана полно­ стью перешла в окисел. Это позволило предотвратить образование соединений, содержащих титан и азот, взятый из воздуха, вблизи поверхности образца [4], наличие таких соединений приводит к значительному увеличению затухания каналируемого в вол­ новоде излучения. Затухание света в сформированных памп волно­ водах не превышало 1 дБ/см для низших волноводных мод. При изменении толщины пленки титана от 0 .0 2 до 0.15 мкм и времени

диффузионного отжига от 4 до 20 ч были сформированы волноводы, содержащие от 1 до 10 ТЕ-мод и от 1 до 6 TM-мод (направлении распространения света) вдоль оси X на У-срезе ниобата лития. Для примера на рис. 1, б представлена зависимость изменения по­

чае подложек из ниобата лития ПАВ могут быть возбуждены си­ стемами металлических электродов, нанесенных непосредственно на поверхность подложек. Наиболее эффективными для возбужде­ ния ПАВ являются встречно-штыревые преобразователи (ВШП). Использование наклонных ВШП позволяет реализовать полосы акустооптического взаимодействия в 500—800 МГц при достаточной эффективности дифракции [И ]. Однако практическое применение таких преобразователей требует специального фотолитографиче­ ского оборудования.

Нами было проведено исследование двух видов пьезопреобразо­ вателей, которые обеспечивают достаточно широкие полосы аку-

Рис. 2. Амплитудно-частотные характеристики акустооитических ячеек с рассматриваемой системой возбуждения ПАВ (а) и с торцевыми щелевыми иьезоиреобразоватслямн (б).

пунктирные кривые — при раздельном возбуждении 1-го н 2-го преобразователей; б — при различной ширине щелевых зазоров, мкм: J — С, 2 — 3.

стооптического взаимодействия, по более просты в изготовлении. Первый представлял собой комбинацию из двух параллельных ВШП с различными центральными частотами — 165 п 220 МГц. Необходимая полоса акустооптического взаимодействия обеспечи­ валась путем подстройки угла падения ПАВ па световую волну за счет тонкопленочной металлической призмы, расположенной перед низкочастотным преобразователем. Преобразователи имели апертуры 2.2 и 1.7 мм и состояли из трех пар штырей каждый. На рис. 2 , а представлена измеренная амплитудно-частотная ха­

рактеристика интегральной акустооптической ячейки в случае использования такого пьезопреобразователя. Видно, что преобра­ зователь обеспечивает полосу взаимодействия порядка 100 МГц, определяемую суммарной полосой рабочих частот преобразовате­ лей, входящих в систему возбуждения. Максимальная эффектив­ ность дифракции составила 92 % на частоте 235 МГц при мощности входного электрического сигнала 400 мВт. Требуемый угол пово­ рота ПАВ в даппом случае обеспечивался с большой точностью. Увеличение числа преобразователей в системе позволит расширить полосу рабочих частот до нескольких сотен мегагерц.

Исследованный макет ИАОК позволил реализовать обработку сигналов с произведением длительности на полосу, равным 220. Полоса акустооптпческого взаимодействия по каждому из входов в этом случае составила 110 МГц, максимальная длительность обрабатываемого сигнала — 2 мкс.

Проведенные эксперименты демонстрируют возможность создаппя гибридных интегральных акустооптических спектроанали­ заторов и корреляторов на основе диффузионных оптических вол­ новодов, сформированных в подложках из ниобата лития. Пока­ зана возможность объединения основных интегрально-оптических элементов на одной подложке. Получеппые экспериментально характеристики макетов ИАОС и ИАОК находятся в хорошем со­ ответствии с расчетными. Реализованные параметры позволяют использовать разработанные макеты в реальных системах оптиче­ ской обработки сигналов. Характеристики макетов могут быть улучшены при увеличении апертуры геодезической линзы путем компенсации аберраций [10], увеличении полос рабочих частот за счет улучшения конструкции и повышения рабочей частоты пре­ образователей ПАВ, а также осуществления стыковки источника излучения и фотоприемника с оптическим волноводом.

В заключение авторы выражают благодарность А. П- Лаврову за разработку схемы управления линейкой ПЗС фотопрпемников..

Точная копия обрабатываемого сигнала <S2 (t ) = S (t) поступает на пьезопреобразователь АОМг.

Ультразвуковые волпы в звукопроводах модуляторов распро­ страняются во встречных направлениях, что обеспечивает относи­ тельные задержки обрабатываемого и опорного сигналов в интервале времени Д т, определяемом апертурой модуляторов D :

где s — скорость звука в материале звукопроводов.

Проекционная система, состоящая из расположенных софокусно лннз Л х и Л 2 формирует изображение акустооптических модулято-

Оптпческая схема акустооптпческого коррелятора с интегрированием во времепи.

К — коллиматор, ПЗС — ПЗС-лниейка.

ров в выходной плоскости оптической схемы Р . В спектральной плоскости проекционной системы помещается диафрагма D ,

фильтрующая нулевой порядок дифракции света на ультразвуко­ вых волнах. Модуляторы работают в режиме Рамана—Ната, и в выходную плоскость оптической схемы поступают лучн света, соответствующие + 1 порядкам дифракции. Следовательно, ам­ плитуда света А в этой плоскости пропорциональна сумме прост­

ранственных выборок сигналов, поступающих на пьезопреобразователп АОМ 1 и АОМ„\

А~ si(*'~т)+ Sî(*'+т)’

Вдоль координаты х плоскости Р расположена линейка ПЗС

фотоприемников. Сигнал на выходе каждого отдельного элемента линейкп пропорционален интегралу от падающей на него интен­ сивности света в промежутке времени Т , определяемом устройством

управления. Для существующих в настоящее время линеек ПЗС это время, определяющее максимальную длительность обрабатыва­

емых сигналов, достигает единиц секунд и может быть увеличено за счет использования дополнительной памяти ЭВМ.

Таким образом, сигнал на выходе коррелятора пропорцио­ нален

Г/2

Ф (*)~ j [ s , ( l ' - y ) + .S2( l'- { - y ) ] 'd t '

—Т/2

(координата х в нашем случае соответствует номеру элемента ли­

нейки фотопрпемпиков). Из этого выражения видно, что рассма­ триваемый коррелятор относится к устройствам, в которых про­ изведение входных сигналов не формируется оптической схемой, а возникает вследствие квадратичного характера фотоприем­ ника.

Подставляя выражение для входного и опорного сигналов, получим следующее соотношение для выходного сигнала линейки фотопрпемпиков: 1

и в дальнейшем это слагаемое будем считать постоянным. Второе слагаемое является полезным сигпалом, а третье и четвертое необ­ ходимо принимать как шумовые составляющие выходного сигнала коррелятора.

Отношение сигнал/шум на выходе коррелятора будем рассма­ тривать как отношение интенсивности полезного сигнала к диспер­ сии шумовой составляющей. Вычислим отношение сигнал/шум в точке ж=0, т. е. когда достигается максимальное значение авто­ корреляционной функции: