CN1269024A - 具有声衰减结构的声光装置 - Google Patents

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Abstract

公开的是一种具有多种声衰减结构的声光装置、和一种限制表面声波的寄生效应的方法。诸结构包括如下的任何组合:用消音器围绕声光转换区域,把消声器放置到换能器附近,把一个消声器带放置在形成在装置中的光波导管之间,成形形成在装置中的声波导管的一端或多端,以从换能器吸收能量,及/或延伸声波导管以进一步限制非引导声波的辐射。

Description

具有声衰减结构的声光装置
本发明一般涉及声光装置，更具体地说，涉及在声-光装置中吸收表面声波。
集成的声光装置通过晶体表面上的表面声波(SAW)与透过晶体的光的相互作用起作用。声光装置的一个例子表示在图1中。该装置是一个带有光波导管10、11、17、18、19、和20的2×2可调谐光开关，有两个弯曲段22a和22b沿着光波导管17和18的一个区域。该装置还带有声波导管12和13、压电换能器14和15、及偏振分离器21。该装置形成在诸如LiNbO3之类的晶体16的表面上。当电激发时，换能器14和15产生穿过声波导管12和13的且与透过光波导管17和18的光相互作用的SAW。
然而，本发明者已经认识到，SAW的非理状态引起寄生效应。首先，SAW可以由于晶体表面上的不均匀性散射。不均匀性能例如由掺杂物的向内扩散、表面杂质、附加表面层引起，或者由基片的边界引起。散射的SAW干扰SAW与透过波导管的光之间的声光相互作用。
SAW能散射，或者它能由不均匀性、或由声波导管反射。散射或反射的声波能干扰其他声波。生成的干涉图案随SAW的波长而变，导致声光装置的波长相关特性。
而且，产生SAW的结构(例如图1的压电换能器14和15)不一定产生定向波。倒不如说，波在各方向辐射，使装置性能下降。
与常规声光装置有关的其他问题包括导致换能器效率随频率波动的换能器内部反射。而且，在基片内传播的波(“体波”)能干扰在表面上传播的那些波。
最后，在类似于图1中所示的声光装置中，在声波导管12与13之间的耦合可能发生。如果这样的耦合发生，则两个转换器的效率都减小。那么，为了高效地起作用，波导管12与13必须离开较大的距离(典型为200微米)。这种要求的分离限制了装置能集成的程度。
美国专利No.5,002,349讨论了声光滤波器和开关的集成。本发明的目的在于在x切割的压电基片上提供一种高效声光结构，还在于提供一种声光滤波器、和不发生光频率转移且是偏振独立的的耦合器。为了实现这些目的，本发明包括一个两级声光滤波器，建造为一个有消音器在两级之间的集成电路。
欧洲专利申请EP 0737880A1讨论了一种用于波长选择的声光波导管装置。如图4中所示，该装置包括一个声吸收装置，声吸收装置沿声波导管41放置，靠近连接到耦合器37上的光波导管36的端部，以吸收残余的声波。它还包括一个靠近连接到耦合器32上的波导管34的端部放置的声吸收装置，以吸收由换能器44产生的在与光信号相反的方向上传播的声波。
名称为“集成光学装置”的英国专利申请(公开号No.GB2,304,917)公开了一种带有一个平行于一个光波导管的声波导管的可调谐滤波器。该申请公开了控制前进声波的功率密度并因而控制至光波的功率转移的两种方法。首先，声波导管能具有一个变化的横截面积。第二，沿声波导管的长度能吸收声波的能量。
最后，R.S.Chakravarthy等的名称为“声光可调谐滤波器的通带工程”的出版物(1995 ECIO Proceedings，论文TuPo，PosterSession，p.137-40)研究了对在声光可调谐滤波器中的通道间交扰和波长失调交扰问题的解决方法。作者尤其提出了把一个衰减外罩对称地沿装置的长度布置小心地避开光波导管。该装置结构表示在图4(a)和图5(a)中。
本发明者已经发现这些技术没有解决由本发明者认识到的问题。本发明者因此已经发现对一种减小表面声波的寄生效应的声光装置的需要。
我们已经发现，在声波导管和光波导管周围的预定位置处放置的一个消音器起减小或消除由上述寄生效产生的问题的作用。根据本发明一个方面的一种声光装置包括：一个一种材料的基片，能够沿基片表面的一部分传播表面声波；一个换能器，用来产生表面声波；一个光波导管，形成在基片中；及一个消音器，围绕着基片的所述部分。
根据本发明另一个方面的一种声光开关包括：一个一种材料的基片，能够沿基片的一个表面传播表面声波；第一和第二光波导管，形成在基片中；第一和第二声波导管，分别接触第一和第二光波导管，且每一个带有一个第一端和一个第二端；第一和第二换能器，用来分别在第一和第二声波导管中产生表面声波；及一个消音器，围绕着第一和第二声波导管。
根据本发明又一个方面的另一种声光装置包括：一个一种材料的基片，能够沿基片的一个表面传播表面声波；至少一个光波导管，形成在基片中；至少一个声波导管，形成在基片中；至少一个换能器，用来产生表面声波；及一个消音器，围绕着至少一个声波导管。
根据本发明另一个方面的另一种声光开关包括：一个一种材料的基片，能够沿基片的表面传播表面声波；第一和第二光波导管，形成在基片中；第一和第二声波导管，分别接触第一和第二光波导管，且每一个带有一个第一端和一个第二端；第一和第二换能器，用来分别在第一和第二声波导管中产生表面声波；及一个消音器，布置在第一与第二声波导管之间。
一种与本发明一致的方法包括步骤：提供一个带有其中形成的一个光波导管和一个声波导管的基片，其中光波导管和声波导管形成一个声光相互作用区域；和在声光相互作用区域周围的一个区域中吸收散射的声波。
要理解，以上一般描述和如下详细描述是示范和解释性的，并且打算提供所申请的本发明的进一步解释。
并入和构成本说明书一部分的附图说明本发明的当前最佳实施例、以及以上给出的一般描述，并且以下给出的最佳装置的详细描述用来解释本发明的原理。
图1是一种典型的2×2声光开关的图；
图2是按照本发明的一种2×2声光开关的图；
图3是根据本发明一个实施例围绕着图2的换能器的一个区域的图；
图4是根据本发明另一个实施例围绕着图2的换能器的一个区域的图；
图5a是一种没有消音器的典型2×2声光开关的滤波器特性的图；
图5b是一种没有消音器的典型2×2声光开关的切口特性的图；
图6是按照本发明的一种2×2声光开关的滤波器和切口特性的图；
图7是在一种没有消音器的声光装置中的声功率分布的图；及
图8是在一种带有消音器的声光装置中的声功率分布的图。
现在将详细参考在附图中表明的本发明的最佳装置的结构和操作。
本发明最佳装置的如下描述仅是本发明的示范。本发明不限于这些装置，而是可以由其他装置实现。
按照本发明的一种声光装置表示在图2中。在该实施例中，该装置是一个带有光波导管30、31、32、33、34和35，偏振分离器36，声波导管23和37，及压电换能器24和25的2×2可调谐光开关。该装置形成在诸如LiNbO3之类的晶体26的表面上。该装置以如下方法改进以使由换能器24和25产生的SAW的寄生效应最小。
首先，整个声光转换区域由一个消音器27包围着，因而抑制由辐射波的散射和/或反射引起的效应。
在一个没有表示的实施例中，每个声光转换区域由一个独立的消音器包围着。
第二，消音器27放置在换能器24和25附近以吸收从换能器发射的辐射波，但不耦合到波导管上。
而且，一个消音器的带28放置在声波导管23与37之间。最好，带28近似50微米宽。它用来减小转换器之间的声交扰，提高转换效率。这种在转换器之间的增强隔离能用来减小他们之间的间隙，因而减小整个装置的尺寸，允许较高程度的集成，及改进装置的性能。
也在靠近声波导管23和37的端部使用消音器，以包括在换能器24和25后面的一种V形结构29。结构28吸收在该方向产生的声波。结合上述消音器安置使用的结构29具有多个优点。首先，有SAW的更分散吸收，导致较小的局部发热。第二，由于结构29吸收一些声波，所以消音器机械地受声波的压力较小。最好，相对着换能器24和25的声波导管23和37的端部也由V形吸收结构包围着，产生与以上讨论的那些类似的优点。尽管表示一种V形结构29，但可以使用适于吸收能量和热量的希望分布的任何几何形状。
本发明者已经进一步认识到，声波沿除声波导管方向之外的方向的辐射(即非引导声波)不仅从换能器本身产生，而且也从SAW较强的声波导管的更下面的一部分产生。图3和4表示通过增大声波导管的长度限制从该部分辐射的两种结构。图3表示一个声波导管40，带有一个沿声波导管40形成的一个SAW 42的换能器41。声波导管40由一个消音器43包围着。为了限制从声波导管40下面的一部分来自换能器41的声能的辐射，声波导管40延伸2-3毫米。
然而，声波导管40的延伸具有增大整个装置尺寸的影响。因此，在图4中所示的实施例中，延伸声波导管45，但向装置的中心弯曲。尽管由于弯曲可能期望约0.5dB(分贝)的很小声损失，但装置的尺寸不变。就图3中所示的结构而言，图4的结构也具有限制在声波导管45下面的一部分处从SAW 42发射来自换能器41的非引导声波的辐射的效果，。
为了使在声光装置中使用的消音器的作用最大，用于消音器的材料应该拥有一定的特性。例如，应该具有高的声衰减系数以允许相邻结构的高效隔离、和小的反射率以避免干扰效应。它还应该易于制造、耐热、且在装置的整个寿命中保持其特性。大族聚合物之一的聚酰亚胺，由于其基本化学结构满足这些要求。聚酰亚胺可从Ciba-Geigy买到，如在Probimide 400和7000系列中。
另外，能把添加剂加到聚酰亚胺中以使其成为光敏的。因而，聚酰亚胺起光阻材料的作用，并且简单借助于微石版印刷术能沉积到声光装置上。特别是，我们发现，对于用作消音器，Probimide 405和7020拥用特别优良的性能。当在20微米的厚度下以上述形式沉积时，聚酰亚胺在约170MHz的频率下呈现约23dB/mm的衰减系数。这种测量是对于与声波成直角取向的消音器得到的。
参照图2，沿隔离间隙使用一个50微米宽的带28把转换器之间的声交扰从-15dB减小低于-25dB，导致转换效率增大。这种测量是对于与声波平行取向的消音器得到的。增强的隔离也能用来缩短转换器之间的间隙。试验表明间隙至少能减小百分之25(从170微米到130微米)。而且，弯曲段的长度能减小约百分之20(从8毫米至6.5毫米)。当使用双级装置时，这种缩短长度的好处倍增。如以上讨论的那样，缩短的间隙和弯曲段长度导致声光装置的集成度增大。
图5a表示一种没有消音器的2×2声光开关的滤波器特性。该滤波器具有一个高于噪声最低值约22dB的峰值。图5b表示对于没有消音器的2×2开关的切口特性。切口衰减约是17dB。另一方面，图6表示对于一种带有消音器的2×2开关的滤波器和切口特性。滤波器特性具有一个高于噪声最低值约25dB的峰值，而切口衰减已经提高到约22dB。侧波瓣已经从-18dB减小到约-22dB，并且交扰已经减小到低于-25dB。
图7表示在一种没有消音器的声光装置中的声传播。传播不限于声波导管50，而是辐射整个装置。这些辐射和非引导的波，如沿线55的那些，穿过光波导管传播，并且干扰声光转换。相反，图8表示使用本发明的讲授的相同装置。与图7不同，声传播大都限于声波导管60，提高了装置的整个效率。
尽管这里已经说明和描述了当前认为是本发明的最佳实施例的实例，但熟悉本专业的技术人员将理解，可以进行各种变更和修改，并且等效物可以代替其元件，而不脱离本发明的真正范围。例如，其他材料，如硅可能能用作消音器，来代替聚酰亚胺。
此外，对于本发明的讲授可以进行多种修改以适应具体的元件、技术或装置，而不脱离本发明的中心范围。因此，打算本发明不限于这里公开的具体实施例，而是本发明包括落在附属权利要求和其等效要求的范围内的所有实施例。

Claims (42)

1.一种声光装置包括：
一个一种材料的基片，能够沿基片的一个表面的一部分传播表面声波；
一个换能器，用来产生表面声波；
一个光波导管，形成在基片中；及
一个消音器，围绕着基片的所述部分。
2.根据权利要求1所述的声光装置，其中
基片材料是LiNbO3。
3.根据权利要求1所述的声光装置，其中
消音器包含聚酰亚胺。
4.根据权利要求1所述的声光装置，进一步包括
一个放置在换能器附近的消音器。
5.根据权利要求1所述的声光装置，进一步包括
一个用来把表面声波引向光波导管的声波导管。
6.根据权利要求5所述的声光装置，其中
一个包含换能器的声波导管的一端延伸至少2毫米。
7.根据权利要求6所述的声光装置，其中
弯曲延伸的声波导管。
8.根据权利要求5所述的声光装置，带有一个靠近声波导管的一个末端放置的端部消音器，所述端部消音器具有吸收声能的形状。
9.根据权利要求8所述的声光装置，其中
所述端部消音器具有V形。
10.一种声光开关包括：
一个一种材料的基片，能够沿基片的一个表面传播表面声波；
第一和第二光波导管，形成在基片中；
第一和第二声波导管，分别接触第一和第二光波导管，且每一个带有一个第一端和一个第二端；
第一和第二换能器，用来分别在第一和第二声波导管中产生表面声波；及
一个消音器，围绕着第一和第二声波导管。
11.根据权利要求10所述的声光开关，其中
基片材料是LiNbO3。
12.根据权利要求10所述的声光开关，其中
消音器包含聚酰亚胺。
13.根据权利要求10所述的声光开关，进一步包括
一个放置在第一和/或第二换能器附近的消音器。
14.根据权利要求10所述的声光开关，进一步包括
布置在第一与第二声波导管之间的一个消音器带。
15.根据权利要求14所述的声光开关，其中
消音器带至少50微米宽。
16.根据权利要求10所述的声光开关，带有一个靠近第一声波导管的至少一端放置的端部消音器，所述端部消音器具有吸收声能的形状。
17.根据权利要求16所述的声光开关，其中
端部消音器具有V形。
18.根据权利要求10所述的声光开关，带有一个靠近第二声波导管的至少一端放置的端部消音器，所述端部消音器具有吸收声能的形状。
19.根据权利要求18所述的声光开关，其中
端部消音器具有V形。
20.根据权利要求10所述的声光装置，其中
包含换能器的第一和第二声波导管的端部延伸至少2毫米。
21.根据权利要求20所述的声光装置，其中
弯曲延伸的声波导管。
22.一种声光装置包括：
一个一种材料的基片，能够沿基片的一个表面传播表面声波；
至少一个光波导管，形成在基片中；
至少一个声波导管，形成在基片中；
至少一个换能器，用来产生表面声波；及
一个消音器，围绕着至少一个声波导管。
23.根据权利要求22所述的声光开关，其中
基片材料是LiNbO3。
24.根据权利要求22所述的声光装置，其中
消音器包含聚酰亚胺。
25.根据权利要求22所述的声光装置，进一步包括
一个放置在至少一个换能器附近的消音器。
26.根据权利要求22所述的声光装置，带有一个靠近至少一个声波导管的一端放置的端部消音器，所述端部消音器具有吸收声能的形状。
27.根据权利要求26所述的声光装置，其中
端部消音器具有V形。
28.根据权利要求22所述的声光装置，其中
有两个光波导管。
29.根据权利要求28所述的声光装置，进一步包括
布置在两个光波导管之间的一个消音器带。
30.根据权利要求14所述的声光开关，其中
消音器带至少50微米宽。
31.根据权利要求22所述的声光装置，其中
包含换能器的至少一个声波导管的一端延伸至少2毫米。
32.根据权利要求31所述的声光装置，其中
弯曲至少一个延伸的声波导管。
33.一种声光开关包括：
一个一种材料的基片，能够沿基片的一个表面传播表面声波；
第一和第二光波导管，形成在基片中；
第一和第二声波导管，分别接触第一和第二光波导管，且每一个带有一个第一端和一个第二端；
第一和第二换能器，用来分别在第一和第二声波导管中产生表面声波；及
一个消音器，布置在第一与第二声波导管之间。
34.根据权利要求33所述的声光开关，其中
基片材料是LiNbO3。
35.根据权利要求33所述的声光开关，其中
消音器包含聚酰亚胺。
36.根据权利要求33所述的声光开关，其中
一个消音器围绕着第一和第二光波导管及第一和第二声波导管。
37.根据权利要求33所述的声光开关，其中
消音器至少50微米宽。
38.根据权利要求33所述的声光开关，带有一个靠近第一和/或第二声波导管的至少一端放置的端部消音器，所述端部消音器具有吸收声能的形状。
39.根据权利要求38所述的声光开关，其中
端部消音器具有V形。
40.根据权利要求33所述的声光装置，其中
包含换能器的第一和第二声波导管的端部延伸至少2毫米。
41.根据权利要求40所述的声光装置，其中
弯曲延伸的声波导管。
42.一种用来限制声光装置中的寄生效应的方法，包括步骤：
提供一个带有形成于其中的一个光波导管和一个声波导管的基片，其中光波导管和声波导管形成一个声光相互作用区域；和
在声光相互作用区域周围的一个区域中吸收散射的声波。
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