DE3018212A1

DE3018212A1 - Hf-spektralanalysator

Info

Publication number: DE3018212A1
Application number: DE19803018212
Authority: DE
Inventors: Bor-Uei Chen
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1979-05-29
Filing date: 1980-05-13
Publication date: 1980-12-11
Also published as: US4253060A; IL60012A; FR2458059A1; SE8003967L; GB2050599A; FR2458059B1; SE450738B; GB2050599B

Description

Anmelderin: ' Stuttgart, 12. Mai I98O

Hughes Aircraft Company P 3861 s/Zr Gentinela Avenue and Teale Street
Culver City, Calif. V. Sta. A.

Vertreter:

Kohler - Schwindling - Späth
Patentanv/Slte
Hohen twiel straße 2|1
7000 Stuttgart 1

HP-Spektralanalysator .

Die Erfindung betrifft einen HF-Spektralanalysatör mit einem Laser als Lichtquelle, einer Kollimatorlinse für das vom Laser gelieferte Licht, einer Sammellinse zur Fokussierung des von der Kollimatorlinse erzeugten parallelen Lichtstrahles, einer in der Brennebene der Sammellinse angeordneten Detektorgruppe und einem zu dem zwischen den beiden Linsen gelegenen optischen Pfad benachbarten elektro-akustischen Wandler zur Erzeugung akustischer Oberflächenwellen zur Modulation des parallelen Lichtstrahles infolge

030050/0679 "^Λ

des akustisch-optisehen Bragg-Effektes. -

HF-Spektralanalysatoren sind bekannt, und es besteht gegenwärtig ein besonderes Interesse an solchen Analysatoren, die unter Anwendung der integrierten Optik hergestellt sind. Einzelheiten solcher Systeme und deren Bauelemente sind beispielsweise in "Design, Fabrication and Integration of Components for an Integrated Optic Spectrum Analyzer" von M. Ko Barnoski et al, 1978 Ultrasonics Symposium. Pro-, ceedings, IEEE, und in "Diffraction-Limited Geodesic Lens for Integrated Optica Circuits" von B. Chen et al, Applied Physics Letters, 33(6), 1fj. September 197Θ, behandelt.

Allgemein umfassen optische Spektralanalysatoren einen Laser als Lichtquelle, eine Kollimatoroptik, eine Fokussieroptikj, eine Detektorgruppe und einen Wandler zur Modulation des Laaerlichtes als Funktion der HF-Frequenz des dem Wandler zugeführten Signals. Prinzipiell liefert der Laser ein Licht, das durch den Vorgang einer stimulierten Emission erzeugt wird und das eine einzige Wellenlänge und eine feste Polarisation aufweist. Bei allen Halbleiter-Lasern, wie bei-, spielsweise einem Galliumaluminiumarsenid-Laser, finden spontane Emissionen statt, die zu einem bezüglich der Wellenlänge breitbandigen Licht mit gemischer Polarisation führen»

Die spontanen Emissionen haben ein optisches Rauschen zur Folge, welches in das System eingeführt wird und dessen Dynamik-Bereich vermindert. Bekannte Versuche, dieses Problem zu lösen, bestanden in dem Aufbringen von mehrschichtigen Interferenzfiltern unmittelbar auf der Detektorgruppe_s um die auf spontane Emissionen zurückzuführenden Signale auszufiltern. Diese Lösung bietet jedoch ein schwieriges

030050/0679 ·/.

Problem bei der Herstellung. Weiterhin ist die Filterqualität eines Interferenzfilters sehr stark vermindert, wenn ein konvergierender Strahl auf die Detektorgruppe einfällt.

Wenn Spektralanalysatoren auf dem Substrat einer integrierten Schaltung mittels integrierter optischer Bauelemente hergestellt werden, ist die Leistungsfähigkeit des Systems .durch die Länge der Kristalle begrenzt, die als Substratraaterial verwendet werden. Beispielsweise können Lithiumniobat-Kristalle längs einer der Kristallachsen (X-Achse) nicht gezüchtet werden, wogegen die Züchtung längs der beiden anderen Achsen bis zu einer Länge von etwa 25 cm erfolgen kann.

Die Frequenzauflösung des Analysators ist im wesentlichen " durch die Brennweite der Fokussieroptik und die Detektorgröße bestimmt. Bei den Detektoranordnungen, die gegenwärtig für solche Analysatoren verwendet werden, haben die einzelnen Detektorelemente eine Größe von etwa Q/am. Hiermit sind die Grenzen der ,gegenwärtigen Detektor-Technologie erreicht. Demnach ist es erforderlich, zur Erhöhung der Frequenzauflösung die Brennweite der Fokussieroptik zu erhöhen, trotz der begrenzten Größe der verfügbaren Substrate. Für Lithiumniobat-Kristalle ist beispielsweise die in Richtung der X-Achse maximal erreichbare Länge etwa 70 mm. Die akustischen Wellen müssen sich längs der Z-Achse ausbreiten, so daß die Kollimator- und Fokussier-Optiken längs der X-Achse angeordnet werden müssen. Hierdurch wird die maximale Brennweite auf etwa 25 mm begrenzt.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten HF-Spektralanalysator der eingangs genannten

030050/0679 ^J'

X -•5-

Art zu schaffen, bei dem ein auf spontane Emissionen in dem als Lichtquelle verwendeten Laser zurückzuführendes Rauschen weitgehend vermieden ist. Außerdem soll der HP-Spektral analysator einen sehr großen Dynamikbereich und eine verbesserte Frequenzauflösung besitzen.

Diese Aufgabe wird bei einem HF-Spektralanalysator der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß in dem optischen Pfad zwischen der Kollimatorlinse und dem elektro-akustischen Wandler ein Braggsches 90°-Reflexionsgitter zur Übertragung von Licht bestimmter Wellenlängen und Polarisation längs des optischen Pfades angeordnet ist. Das Reflexionsgitter hat nicht nur eine Filterwirkung, sondern führt auch zu einer Verlängerung des optischen Pfades und ermöglicht somit die Anwendung einer Sammellinse mit größerer Brennweite, wodurch die Frequenzauflösung verbessert wird.

Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform findet das Prinzip der Erfindung bei einem HF-Spektralanalysator Anwendung, der sieh auf dem Substrat einer integrierten Schaltung befindet. Die Bauelemente des Systems sind im wesentlichen di© gleichen wie oben angegeben, jedoch werden sie mittels der Verfahren der integrierten Optik hergestellt. Die Linsen sind geodätische Linsen, die durch Ultraschall-Impactschleifen oder dergleichen hergestellt wurden, und es pflanzt sich das Laserlicht in wellenleitenden Kanälen der integrierten Optik zwischen den Komponenten des Systems fort. Das Substrat wird in Gestalt eines L hergestellt,was die Anwendung einer längeren Brennweite für die Sammellinse gestattet. Der Wandler erzeugt akustische Wellen an der Oberfläche des Substrats, deren Amplitude und Frequenz in einem funktionellen Zusammenhang zu dem HF-Signal steht,

030050/0679 ·/·

ff.

das dem Wandler zugeführt wird. Die akustischen Wellen wirken als ein Braggsches Gitter, welches den Lichtstrahl von seinem ursprünglichen Weg proportional zur Amplitude und Frequenz des HP-Signals ablenkt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt die schematische Darstellung eines HF-Spektralanalysators nach der Erfindung, der auf einem einzigen Substrat einer integrierten Schaltung angeordnet ist.

Der in der Zeichnung dargestellte HF-Spektralanalysator 20 weist ein Substrat 21 auf, das mit einer gleichförmigen Oberflächenschicht 22 aus einem optisch durchlässigen Material versehen ist, wie beispielsweise einer Schicht mit Titan dotiertem Lithiumniobat. Das Titan ist in das Substrat 21 durch Diffusion eingebracht, wodurch sich eine optische Grenzschicht bildet, die eine innere Totalreflexion des Laserlichtes innerhalb der Oberflächenschicht 22 bewirkt. Die Oberflächenschicht hat eine nominelle Dicke von

Das Substrat hat die Gestalt eines L mit einer Schenkellänge von jeweils etwa 70 mm. Ein als Lichtquelle dienender Laser 2} ist am Ende eines der Schenkel des Substrates angeordnet und dazu eingerichtet, Licht einer bestimmten Wellenlänge und bestimmten Polarisation zu liefern. Eine geodätische Kollimatorlinse" 2i|-, deren primärer Brennpunkt an der Austrittsfläche des Lasers 23 liegt, ist in der

030050/0679 ·^Λ

Oberfläche des Substrats 21 durch Ultraschall-Impactschleifen oder dergleichen angebracht worden, und zwar schon vor dem AbscheidungsVorgang.

An der Ecke des L-förmigen Substrates ist ein Braggsches 90°-Reflexionsgitter 25 angeordnet. Das Reflexionsgitter 25 kann mittels verschiedener bekannter Techniken erzeugt iferden, beispielsweise durch Ätzen. Das Gitter 25 ist in die Oberflächenschicht eingegraben. Die Linien haben eine Tiefe in der Größenordnung von 50 bis 100 öm und einen Abstand von etwa 250 nm. Der Abstand hängt von der Frequenz der HF-Signale ab, die von dem HF-Spektralanalysator verarbeitet werden sollen. Das Reflexionsgitter 25 bewirkt nur die Reflexion von Licht einer Wellenlänge und einer Polarisation, während es für Licht aller anderen Wellenlängen durchlässig ist. Das Reflexionsgitter 25 wirkt demnach als Filter für das vom Laser zugeführte Licht. Der Ablenk-Wirkungsgrad und die Filterbandbreite werden durch die Gittertiefe und die Anzahl der Gitterlinien bestimmt. Es ist auch möglich, die Gittertiefe zu variieren,um einen abgelenkten Strahl mit gleichförmiger Intensität zu erzeugen.

Eine zweite geodätische Linse 27 ist im anderen Schenkel des Substrates angeordnet und dazu bestimmt, das von der Kollimatorlinse 2ij. ausgehende, parallele Licht zu fokussieren. Am Ende des Substrats ist in der Brennebene der zweiten geodätischen Linse 27 eine Detektorgruppe 28 angeordnet. Auf diese Weise wurde ein optischer Pfad mit L-förmiger Gestalt geschaffen, der den Laser 23, die erste geodätische Linse 2l+, das Reflexionsgitter 25, die zweite geodätische Linse 27 und die Detektorgruppe 28 passiert.

0 3 0050/0679

Zwischen dem Reflexionsgitter 25 und der zweiten Linse 2? ist, zum optischen Pfad benachbart und nahe einem Rand des Substrats, ein elektroakustischer Wandler 26 zur Erzeugung akustischer Oberflächenwellen angeordnet. Der Wandler 26 besteht aus metallischen Elektroden, die auf die Oberflächenschicht 22 aufgebracht sind. Der Wandler 26 ist mit einer HP-Signalquelle 30 gekoppelt, beispielsweise einer Antenne oder dergleichen.

Im Betrieb erzeugt der Laser 23, der beispielsweise aus Galliumaluminiumarsenid oder dergleichen besteht, kohärentes Licht einer bestimmten Wellenlänge und Polarisation. Zusammen mit der stimulierten Emission treten jedoch auch spontane Emissionen auf, die ein breites Wellenlängenband und eine gemischte Polarisation aufweisen. Demgemäß ist das von dem Laser 23 gelieferte Licht optisch verrauscht.

Das Licht wird durch innere Totalreflexion in der Oberflächenschicht 22 zur Kollimatorlinse 2ΐμ geleitet, die aus dem zugeführten Licht einen parallelen Lichtstrahl bildet, der sich zum Reflexionsgitter 25 fortpflanzt. Von diesem Reflexionsgitter wird nur Licht der gewünschten Wellenlänge in Richtung auf die Detektorgruppe 28 reflektiert, während es für das übrige Licht durchlässig ist, das sich in Verlängerung des ursprünglichen Weges fortpflanzt. Infolgedessen wird durch das Reflexionsgitter 25 das optische Rauschen aus dem Signal entfernt. Außerdem wirkt das Reflexionsgitter 25 als Polarisationsfilter, so daß auch nur Licht einer bestimmten Polarisation zur Detektorgruppe 28 reflektiert wird.

Anschließend wird das Licht mittels der zweiten Linse 27 auf die Detektorgruppe 28 fokussiert. Es versteht sich,

0 3 0050/0679

- Jfr-

daß die Parallelisierung und -Fokussierung durch die Linsen 2\\, 2? nur in einer Dimension erfolgt, also keine Fokussierung senkrecht zur Oberflächenschicht 22 stattfindet.

Die von der HP-Signalquelle 30, bei der es sich beispielsweise um eine Radarantenne handeln kann, gelieferten Signale werden mittels eines Mischers 32 und eines Lokaloszillators (LO) 33 auf den Frequenzbereich des Wandlers heruntergemischt. Die Ausgangssignale des Mischers 32 werden von einem Verstärker 3h- verstärkt, dessen Ausgangssignale dem Wandler 26 zugeführt werden. Der Wandler erzeugt, ein entsprechendes elektrisches Feld an der Oberflächenschicht Dadurch werden akustische Oberflächenwellen 31 erzeugt, die sich an der Oberfläche entlang fortpflanzen und dadurch die Oberflächenschicht 22 deformieren. Die akustische Welle wirkt wie ein Braggscher Reflektor, da das Licht an der akustischen Welle 31 proportional zur Frequenz der HF-Signale reflektiert wird, welche die akustische Welle erzeugen. Das Laserlicht wird daher mit der HF-Frequenz akustischoptisch moduliert.

Das durch die Reflexion an der akustischen Welle 31 abgelenkte Laserlicht wird auf eines der vielen Detektorelemente fokussiert, welche die Detektorgruppe 28 bilden. Das Ausgangs8ignal jedes einzelnen Detektorelementes ist charakteristisch für die Frequenz der HF-Energie. Weiterhin ist die Amplitude des Detektorsignals ein Maß für die Stärke der HF-Energie, die von der HF-Signalquelle 30 empfangen wurde.

Das Braggsche 90°-Heflexionsgitter 25 ermöglicht eine bedeutende Vergrösserung der Länge des optischen Pfades des HF-Spektralanalysators 20. Demgemäß kann eine Sammellinse

030050/0679

• Jo

27 mit größerer Brennweite benutzt werden, wodurch die Frequenzauflösung des HF-Spektralanalysators 20 verbessert wird.

Es wurde' demgemäß vorstehend ein verbesserter HF-Spektralanalysator beschrieben, bei dem das Rauschen im wesentlichen eliminiert wird, das auf spontane Emissionen in einem als Lichtquelle verwendeten Laser zurückzuführen ist, und der außerdem einen größeren Dynamik-Bereich und eine verbesserte Frequenz-Auflösung aufweist, weil eine Sammellinse mit größerer Brennweite verwendet werden kann.

Es versteht sich, daß das vorstehend behandelte Ausführungsbeispiel nur eine von vielen möglichen Ausführungsformen von HF-Spektralanalysatoren nach der Erfindung veranschaulicht. Zahlreiche und verschiedenartige andere Anordnungen können vom Durchschnittsfachmann nach den Lehren der Erfindung geschaffen werden. Insbesondere ist die Erfindung nicht auf eine Anordnung beschränkt, die sich auf dem Substrat einer integrierten Schaltung befindet, sondern kann auch unter Verwendung diskreter Bauelemente verwirklicht werden. Der gegenwärtige Stand der Technik auf dem Gebiet der integrierten Optik bietet jedoch manche Vorteile gegenüber Anordnungen mit üblichen, diskreten Komponenten.

030050/0679

Claims

Patentansprüche

<] HF=Spektralanalysator mit einem Laser als einer Kollimatorlinse für das vom Laser gelieferte Licht, einer Sammellinse zur Fokussierung des von der Kollimatorlinse erzeugten parallelen Lichtstrahles, einer in der Brennebene der Sammellinse angeordneten Detektorgruppe und einem zu dem zwischen den beiden Linsen gelegenen optischen Pfad benachbarten elektro-akustischen Wandler zur Erzeugung akustischer Oberflächenwellen zur Modulation des parallelen Lichtstrahles infolge des akustisch-optischen Bragg-Effektes, dadurch gekennzeichnet, daß in dem optischen Pfad zwischen der Kollimatorlinse (2i|) und dem elektro-akustischen Wandler (26) ein Braggsches 90°-Reflexionsgitter (25) zur Übertragung von Licht bestimmter Wellenlänge und Polarisation . längs des optischen Pfades angeordnet ist.

HF-Spektralanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine Bauelemente auf einem gemeinsamen Substrat (21) einer integrierten Schaltung angeordnet sind und die Linsen (2i|,27) als geodätische Linsen ausgebildet sind.

HF-Spektralanalysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (21) eine L-förmige Gestalt aufweist.

0 3 0050/0679
ORIGINAL INSPECTED