KR20090129497A - 확대된 온도 확실성을 가지는 음향광학 장치 - Google Patents

Abstract

음향광학 변조기는 음향광학 벌크매체와 상기 음향광학 벌크매체에 부착된 변환기를 포함한다. 상기 변환기는 전극 회로와 상기 벌크매체에 부착되어 상기 전극 회로를 지지하는 복수의 압전판 부분들을 포함한다. 상기 압전판 부분들은 전단 응력 및 온도 극한으로 인한 파단 가능성을 줄이도록 구성된다.

음향광학 변조기, 음향광학 벌크매체, 뵨환기, 구동부, 선형 배열, 전극, 변조, 위상정합, 맞물림, 비-맞물림, 파

Description

확대된 온도 확실성을 가지는 음향광학 장치{ACOUSTO-OPTIC DEVICES HAVING EXTENDED TEMPERATURE RELIABILITY}

본 발명은 일반적으로 광학 변조 시스템 및 관련 구성요소들에 관한 것이며, 더 상세하게는 음향광학 효과를 사용하여 광 빔을 변조하는 음향광학 변조기 및 유사 장치들에 관한 것이다.

때때로 브래그 셀(Bragg cells)로 불리는 음향광학 변조기들은 무선 주파수에서 음파를 사용하여 광을 회절시키고, 편이한다(shift). 이들 장치들은 Q 스위칭, 전자통신 시스템에서의 신호 변조, 레이저 주사 및 빔 강도 조절, 주파수 편이, 및 분광학 시스템의 파장 필터링에 종종 사용된다. 다수의 다른 응용물들이 음향분광 장치들의 사용에 이바지한다.

상기와 같은 음향광학 장치들에서, 때때로 RF 변환기(transducer)로도 불리는 압전변환기(piezoelectric transducer)는 예를 들어 용해된 실리카, 석영과 같은 투명 광학 물질 또는 유사 유리물질로서 음향광학 벌크매체(bulk medium)에 고정된다. 전기적 RF 신호는 초음파의 변조 변형장(modulating strain field)이 음향광학 벌크매체의 굴절 지수에 결합되는, 광탄성 효과를 통해 매체의 광학장 특성에 영향을 미치는 투명 매체 내에서 음파를 생성하고, 진동시키기 위해 변환기를 발진 시키고, 구동한다. 결과로서, 진폭의 굴절 지수는 음파의 것에 비례한다.

굴절 지수는 음향광학 벌크자재에서 팽창 및 압축의 주기 단계(periodic planes)를 이동시킴에 의해 변경된다. 결과한 주기 지수 변조 및 방해로 인해 인입 광은 브래그 회절(Bragg diffraction)과 유사하게, 분산한다.

압전변환기는 음파를 생성할 수 있으며, 광 빔은 여러 차수로 회절된다. 정현파 신호로 벌크매체를 진동시키고, 광이 균일한(flat) 음파로부터 제1 회절 차수로 반사되어 높은 편향 효율을 결과하도록 음향광학 변조기를 기울이는(tilt) 것이 가능하다.

음향광학 장치들에서, 광은 일반적으로 1)편향, 2)강도, 3)주파수, 4)위상, 및 5)편광에 의해 제어될 수 있다.

편향을 사용하는 음향광학 시스템에 있어서, 회절 빔은 음파로부터의 파장에 상대적인 광의 파장에 따른 일 각에서 나타난다. 그러나, 강도로 광을 제어할 때에, 음파에 의해 회절된 광의 양은 회절 빔의 광 강도를 변조하는 음파의 강도에 따라 달라진다. 광에 걸친 주파수 제어로, 회절 빔의 주파수는 광이 이동 단계(moving planes)로부터 분산되는 브래그 회절에 비해, 음파 주파수와 동일한 양으로 도플러 편이된다. 광자(photons) 및 음자(phonons)의 에너지와 운동량이 보존되기 때문에 상기 주파수 편이도 발생할 수 있다. 주파수 편이는 작게는 20 MHz로부터 많게는 400 MHz에 이르기까지 또는 어떤 경우에 훨씬 넓은 범위로 달라질 수 있다. 두 음향파들은 제재에서 반대방향으로 이동할 수 있으며, 주파수를 편이하지 않는, 정상파를 생성할 수 있다. 위상을 이용하여 광을 제어하는 시스템에 있어서, 회절 빔은 음파의 위상에 의해 편이될 수 있다. 편광에 의해 광을 제어하는 시스템에 있어서, 동일선상의 횡단 음향파들이 편광을 변경하기 위해 종파를 따라서 수직한다. 따라서, 복굴절(birefringent) 위상 편이가 발생할 수 있다.

음향광학 변조기는 다수의 응용물들에 바람직한데, 왜냐하면 이는 기울임 가능한 반사경 및 다른 기계 장치에 비해 신속하기 때문이다. 상기 음향광학 변조기가 방출한 광 빔을 편이 하는데 드는 시간은 음파의 전송 시간으로 제한된다. 상기 음향광학 변조기는, 높은 피크 전력에서, 전형적으로 기가와트 범위에서 레이저가 펄스 출력 빔을 생성하는 Q 스위치들에서 종종 사용된다. 이러한 출력은 연속파(CW) 또는 일정한 출력 모드를 동작하는 레이저보다 높을 수 있다.

음향광학 변조기 장치들 및 유사 음향광학 시스템들의 실시예가 공통으로 할당된 미국특허 제4,256,362호; 제5,923,460호; 제6,320,989호; 제6,487,324호; 제6,538,690호; 제6,765,709호; 및 제6,870,658호에 개시되며, 상기 개시는 여기에 전체가 참조로서 병합된다.

종래의 음향광학 장치들은 전형적으로, 상기 장치들의 동작 사용에 필요한 필수 구동 전력을 제공하기 위해 크고, 비용이 많이 드는 하이브리드 출력 무선 주파수(RF)의 사용에 의존한다. 보통, 하이브리드 출력 무선 주파수 증폭기의 필수 출력 차단점을 수용하기 위해 높은 공급 전압이 적용된다. 이는 집적회로(IC) 및 무선 주파수 증폭기 요건들을 모두 부응하기 위해 추가적인 및/또는 비용이 많이 드는 전력 공급의 사용을 결과한다.

전통적인 음향광학 장치들의 다른 응용물에 있어서, 상기 설계들은 전형적으 로, 초음파 변형장을 벌크매체에 내보내기 위해 상기 벌크매체에 접착된 하나 이상의 모놀리식 압전판(monolithic piezoelectric platelets)을 병합한다. 일부 실시예들에 있어서, 저 컴플라이언스(compliance)의 합금 결합은 하나의 계면(interface) 제공하며 두 개의 구성요소들을 다함께 용해시키며, 적은 음향 손실을 결과하는 한편, 상기 판(platelet)과 광학 벌크매체 사이에 광대역의 임피던스 정합을 수용한다. 저 컴플라이언스의 계면에 의해 결합된, 상기 판과 광학 매체의 상이한 열팽창(CTE) 계수의 조합은 국부전단 CTE 팽창 부정합 도입의 파단(fracture) 및 확장된 온도 조건에 영향을 받는 대형 판의 음향광학 장치들의 고장을 야기하는 응력으로 이끌 수 있다. 이들 확장된 온도 조건들은 비 동작 상태, 즉 생존성 저장 온도에서, 또는 고도 신호 조건의 결과로서 일부의 경우 모두에서 일어날 수 있다.

음향광학 장치들을 사용하는 일부 임계 응용물(critical application)들은 광학 빔의 강도를 변조한다. 이러한 변조는 장치에 대한 RF 변조 파형이 온(ON) 및 오프(OFF)로 전환될 때에 도입된 국부적 열전달로 인해 회절 빔의 출력 각에서 작은 편차를 생성할 수 있다. 이러한 열전달은 생성될 수 있는, 집중점(focused spot)의 분해능에 부정적으로 영향을 미칠 수 있다.

음향광학 변조기는 음향광학 벌크매체와, 상기 음향광학 벌크매체에 부착된 변환기를 포함한다. 상기 변환기는 전극 회로와 상기 벌크 매체에 부착되어 상기 전극 회로를 지지하는 복수의 압전판 부분들을 포함한다. 상기 압전판 부분들과 음향광학 벌크매체 사이에 접지면이 배치된다. 상기 판 부분들은 상기 개별적인 판 부분들과 음향광학 벌크매체 사이의 공통 접지 금속을 분리하지 않거나 또는 달리 영향을 미치지 않고 생성될 수 있다. 상기 압전판 부분들은 전단 응력 및 온도 극한으로 인한 파단 가능성을 줄이도록 구성된다.

상기 전극 회로는 선형 배열의 전극들로서 형성될 수 있으며, 각각의 압전판 부분은 각각의 전극을 지지한다. 상기 변환기 구동부는 상기 전극들에 연결된 복수의 증폭기들에 의해 형성될 수 있으며, 각각의 전극은 빔 조종을 주기 위해 각각의 단일 증폭기에 의해 구동된다. 각각의 증폭기는 바람직하게는 모놀리식 마이크로파 집적회로(IC)로서 본 발명의 일 측면에서 형성된다. 상기 변환기 구동부는 전극에 의해 주어진 각 파형의 진폭과 위상을 성립할 수 있다.

또 다른 측면에서, 직접 디지털 합성기(DDS) 회로는 개별 위상을 제공하기 위해, 각각의 판 부분들에 임의의 파형들을 출력할 수 있으며, 진폭 제어가 실행될 수 있다. 상기 DDS 회로는 하나의 위상 누산기 및 하나 이상의 개별 메모리 장치들 및 디지털 아날로그 변환기들로서 형성될 수 있다. 상기 위상 누산기는 다양한 메모리 장치들을 위한 어드레스(address) 생성을 제공하기 위해 복합 프로그램가능 논리 장치로서 형성될 수 있다. 각각의 디지털 아날로그 변환기(DAC)는 각각의 증폭기로의 입력 및 필터링 이전에 10 비트에 이르는 소정의 메모리 장치 출력에 연결된다. 결과로서, 하나의 128 DRAM(Dynamic Random Access) 메모리 뱅크(Memory Bank)가 12개의 개별 출력 채널들을 제공할 수 있으며, 이는 각기 각각의 변환기 요소에 대한 개별 위상 및 진폭 상쇄(offsets)를 지지한다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들이 첨부 도면을 고려하여, 뒤따르는 본 발명의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다:

도 1은 본 발명의 비제한적인 실시예에 따라서, 변환기를 위한 선형 전극 배열을 사용한 음향광학 변조기의 고차적 블록도이다.

도 2는 도 1에 도시된 비제한적인 실시예에 따라서, 상기 변환기 및 선형 전극 배열에 결과하는 음향분광효율을 도시하는 그래프이다.

도 3은 본 발명의 비제한적인 실시예에 따라서, 도 1에 도시된 선형 전극 배열을 사용하는 음향광학 변조기의 이미터(emitter) 위상 단계 및 주파수와 관련한 위상도(phase in degree)를 도시하는 그래프이다.

도 4는 본 발명의 비제한적인 실시예에 따라서, 음향광학 벌크매체와 접지면에 부착된 분할형 압전판을 도시하며, 도 1과 유사한 음향광학 변조기의 다른 실시형태에 대한 고차적 블록도이다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 비제한적인 실시예에 따라서, 분할형 압전판을 형성하기 위한 상기 압전판의 축소 전후를 도시하는 단편도이다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 비제한적인 실시예에 따라서, 음향광학 변조기의 RF 변조 및 두 개-위상 RF 변조를 허용하는 펄스 광학 강도 변조를 위한 맞물림 및 비-맞물림 구동 연결을 각각 도시하는 단편도이다.

도 9는 본 발명의 비 제한적인 실시예에 따라서, 음향축과 광학축을 도시하며, 음향광학 변조기 상의 두 개-위상 RF 변조 결과를 도시하는 그래프이다.

도 10은 본 발명의 비제한적인 실시예에 따라서, 음향광학 변조기 상에 위상 변조의 결과를 도시하는 그래프이다.

상이한 실시형태들이, 바람직한 실시형태들을 도시한 첨부도면과 관련하여 여기 이후에 더욱 충분히 지금 기재될 것이다. 다수의 상이한 형태들이 진술될 수 있으며, 기재한 실시형태들은 여기 진술된 실시형태들에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다. 그보다는, 상기 기재가 철저하고 완벽할 것이며, 본 발명의 당업자에게 상기 범위를 충분히 전달할 수 있도록 이들 실시형태들은 제공된다. 동일한 참조번호는 전체에 걸쳐 동일한 요소를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 비제한적인 실시예에 따른 음향광학 변조기로서 음향광학 장치(24)를 위한 변환기 구동부(22)를 나타내는 음향광학 변조기(20)의 블록도이다. 도 1에 도시된 음향광학 변조기(20)는 상기 장치의 유용한 동작에 필요한 필수 구동 전력을 제공하기 위해 대형이고, 비용이 많이 드는 하이브리드 출력 RF 증폭기에 의존하는 전통적인 음향광학 변조기들의 단점을 극복한다. 이러한 선행 기술의 장치들에서, 하이브리드 출력 RF 증폭기의 필수 출력 차단점을 수용하기 위해, 전형적으로 대부분의 회로에 사용된 것보다 높은 공급 전압이 일반적으로 필요하다. 이는 구동부 집적회로(IC) 및 RF 증폭기 출력의 전력 요건과 공급 전압에 부응하기 위해 추가적인 전력 공급과 더 비용이 많이 드는 전력 공급 중의 하나 또는 모두를 결과한다.

음향광학 변조기 및/또는 유사 장치들의 동작을 위해 RF 구동 여자(driving excitation)를 제공하는 현재의 접근법들은 전형적으로, 적절하게 동작하기 위해 종래의 음향광학 변조기에 사용된 공통의 압전 전극에 충분한 RF 전력을 공급하는 하이브리드 RF 증폭기의 사용에 의존한다. 전체 RF 구동 전력의 요건은 탐색될 음향광학적 상호작용의 특징에 의해 측정되며, 이는 차례로 상호작용 매체에서 생성되어야 하는 변형장의 기하학적 넓이(extent) 및 진폭을 측정한다.

다수의 음향광학 변조기들에 있어서, 이미터(즉, 전극) 구동 전력 및 동작 반송파 주파수는 펄스 초음파 영상 시스템과 사용되는 전통적인 비디오 IC 구성요소들의 사용을 크게 일어나지 않게 했다. 음향광학 장치들은 진단 초음파 영상 배열의 응용물들을 위한 것보다 현저하게 더 많은 전류를 소싱(sourcing)할 수 있는 저 임피던스의 선형 소스들을 전형적으로 요구했다. 여기 기재된 본 발명의 실시형태에서, 변환기 배열과 함께한 저 비용의 모놀리식 RF(MMIC) 구성요소들의 사용은 이미터 전력과 임피던스 사항에 일관되는 필수 광학 위상지연을 생성하는데 요구된다. 음향광학 장치들을 위한 다른 위상 배열 접근법들은 변환기 배열을 구동하기 위해 전통적인 RF 증폭기 시스템을 사용하여 증가한 대역폭과 효율에 의해 획득되는 음향광학 상호작용 이점에 초점이 집중되었다.

본 발명의 비제한적인 실시예에 의하여, 압전발진기, 즉, 변환기가 전극 구조(26)(도 1)로 형성되며, 일반적으로 이미터로도 불리는 불연속(discrete) 선형 배열의 개별 전극들(28)로 쪼개진다. 각각의 전극(28)은 도시된 바와 같이 저 비용의 모놀리식 RF 증폭기(30)에 의해 구동된다. 전극들(28)의 수는 전형적으로 복수의 모놀리식 출력 RF 증폭기들의 사용을 용이하게 하는데 필요한 요소의 최대 구동 전력으로 제한하도록, 적절한 방사 저항에 일관되게 측정된다.

광과 음파 사이의 상호작용이 집적효과이고, 광학장에서 생성된 위상지연의 진폭이 모든 이미터들, 즉 전극들만큼 긴 하나의 대형 변환기를 사용하는 것과 같기 때문에, 고도의 동기화(synchronism)가 유지된다. 또한, 전통적인 변환기 전극의 전체 정전용량은, 사용될 수 있는 상호작용 영역 길이의 제한 요소가 되지 않는데, 왜냐하면, 상기 배열 요소들의 정전용량 및 대응하는 방사 저항은 지금 전체 상호작용 길이에 독립적이기 때문이다,

선형 구동부 시스템의 확장은, 각 이미터 구동 파형의 진폭과 위상 모두를 실시간으로 설정할 수 있는, 일반적으로 (32)로 도시되는 구동 제어기로서 직접 디지털 합성기(DDS) 회로와 함께 사용될 때에, 복수의 모놀리식 증폭기(30)에 의해 제공된다. 저 비용의 DDS IC 구성요소들, 또는 특정 목적을 위한(dedicated) 위상 누산기(34), 및 고속 메모리 회로(36)를 사용함에 의해, 정밀한 위상 및 진폭 조정이 각각의 전극에 이루어질 수 있으며, 대부분의 음향 에너지가 단일의 조정가능한 보어사이트 방사 로브(boresight radiation lobe)로 향하게 한다. 이는 입사광과 음장(sound field) 간에 위상정합을 유지하고, 분산 효율성, 편향 선형성, 고 분해능의 조정가능한 필터링에 상당한 이득을 달성한다. 음향광학 변조기(20)는 하기에 설명될 바와 같이, 광 강도의 위상 전용 변조(phase only modulation)도 실행할 수 있다.

음향광학 장치들을 위한 위상 배열 접근법들을 사용한 일부 시스템들은 두 개의 주요 방사 로브들 중의 하나를 통해 또는 어려운 블레이징 공정(blazing process)을 사용하여 하나의 주요 로브에서 두 개-위상(bi-phase)의 이미터 여자(emitter excitation)를 사용함에 의해 부분적으로 위상정합을 결과하는, 종래의 단일 구동 접근법들을 사용하여 이들 이점들을 언급했다. 구동 방법론이나 대형 배열로 부과된 임피던스 제한을 언급하는 접근법은 없다. 이들 시스템들은 조정 능력을 언급하지 않으며, 구동 회로에 의해 도입된 위상 오차의 실시간 정정, 광 강도의 특정 목적을 위한 위상 전용 변조, 및 음향 이방성을 위한 각 보상(angular compensation for acoustic anisotropy)을 제공하지 않는다. 그들은 광학 시스템에서 기하학적 불완전성에 의해 도입된 주파수 가공물(frequency artifacts)에 대한 비선형 주사를 언급하지 않는다.

본 발명의 비제한적인 실시예에 따라서 시스템(20)은, 필요한 공급 전압을 감소시키고, 전체 확실성(reliability)을 증가시키는 한편, 저 비용의 실행을 제공하고, 음향광학 응용물들을 위한 필수 RF 구동 파형을 제공하기 위해, 선형의 전극 배열(26)과 함께 복수의 모놀리식 RF 증폭기(30)를 사용한다.

구동부(22)는 RF 구동 파형의 진폭 및 위상을 조정하여, 단일의 주요 음향 방사 로브에 가중치를 주고(weighting), 조정하는 것을 가능하게 하며, 증대된 대역폭, 분산 효율, 위상 전용 변조를 제공한다. 이는 시스템 하드웨어에 내재한 비 이상적인 주사 가공물과 위상 오차를 정정한다.

기술된 바와 같이 상기 구동부(22)는 반도체 마스크 장치 벤더들(vendors)과, 레이저 장치의 OEM(original equipment manufacturer)과, 상이한 기술 및 정부 고객에 의해 사용되는 저들 시스템들을 포함한, 음향광학 변조기 및 관련 구성요소 들의 설계에 직접적으로 적용될 수 있다. 이는 고 분해능 및 저 전력의 음향광학 조정가능 필터(AOTF)의 개발에 사용될 수 있다.

도 1을 다시 참조하면, 음향광학 변조기(20)의 더 상세한 구성요소들이 설명된다. 음향광학 장치(24)는 이 실시예 및 음향광학 벌크매체(42)에 있어서, 모놀리식 압전판(40) 상에 배치되는 선형 전극 배열(26)을 포함한다. 상기 전극(20)은 접지면(43)을 통해 음향광학 벌크매체(42)에 연결되는, 압전판(40) 상의 선형 배열로 형성된다. 위상 누산기(34)가 플래시 복합 프로그램가능 논리 장치(CPLD)로서 형성될 수 있으며, 위상 누산기 및 임의의 파형 생성기로서 동작한다. 이는 도시된 바와 같이, 신호들을 n-출력을 가지는 고속 메모리 배열(36)로 입력하는 한편, 또한 신호들을 정밀 복합의 디지털 아날로그 변환기(DAC)(44)에 한다. 전형적으로, 상기 플래시 CPLD(34)는 선언 표식(disjunctive expressions)을 실행하는 논리 또는 더 특수화된 논리를 포함하는 매크로 전지로(macro cell)부터 형성될 수 있다. 이는 PLA(programmable array logic) 회로 및 FPGA(field programmable gate array) 회로로부터 형성될 수 있다.

DAC(44)는 앞서 설명된 바와 같이, 각각이 모놀리식 전력 증폭기(30) 및 각 전극(28)에 연결된 복수의 안티-알리아스(anti-alias) 필터/이득 회로들(46)에 입력된다. 전극들(28)은 압전판(40)과 음향광학 벌크매체(42)에 연결되는 불연속의 선형 배열을 형성한다. 따라서, 각 전극은 저 비용의 모놀리식 RF 증폭기에 의해 구동된다. 시스템 클록(clock)은 고속 변조기 입력(50)으로서 신호도 수신하는, CPLD(34)에 필수 클럭 신호를 제공하기 위해 클럭 동기기(clock synchronizer)와 승산기 회로(48)와 병행하여 사용될 수 있다.

각 전력 증폭기(28)는 사이렌자(Sirenza) 마이크로 장치 SBB-2089Z 회로와 같은 고성능의 MMIC 증폭기로서 형성될 수 있다. 이러한 장치는 온도 및 공정의 베타(beta) 변화에 걸쳐 안정적인 전류를 제공하기 위해 달링턴 구성(Darlington configuration)및 능동 바이어스 네트워크를 사용하는 고성능의 InGaP HBT MMIC 증폭기이다. 이는 5V 공급으로부터 동작할 수 있다. 이는 전형적인 달링턴 증폭기에 비해 강하 저항기(dropping resistor)를 필요로 하지 않는다. 이는 소규모이며, 최소의 외부 구성요소들을 필요로 하는 고 선형성의 5V 이득 블록(5 V gain block) 응용물들을 가진다. 이는 내부로 50 옴에 맞춰진다.

상기 회로는 약 50-850 MHz로부터 동작할 수 있으며, 캐스케이더블 (cascadable)하며, 능동 바이어스된다. 무연(lead-free)에서 IP3=42.8 dBm @ 240 MHz로, RoHS 컴플라이언트 패키징이 가용하다. 다른 세부사항(specifications)은 (a) PldB=20.8 dBm @ 500 MHz;(b) 단일 불변의 5V 공급; (c) 강성한 1000V ESD, 등급 1C; (d) 저열 저항; 및 (e) MSL 1 습도 등급을 포함한다.

직접 디지털 합성(DDS) 회로는 도시된 것들과 상이한 구성요소를 포함할 수 있지만, 기본적으로 클록, 위상 누산기, 메모리 및 DAC를 포함할 것이다. 하기 기술된 두 개-위상 RF 변조 기술에 대한 응용물을 위한 것과 같은 일부 실행들에 있어서, 이중 채널 또는 두 개의 단일 DDS IC가 하나 이상의 클록 분포 버퍼 집적회로(clock distribution buffer IC)와 함께 사용될 수 있으며, 두 개의 분리된 맞물림의 선형 변환기 배열(two separate interdigitated linear transducer array's) 을 형성하여 각 배열의 위상이 하기 기재된 방식으로 변경될 수 있다. 기술된 바와 같이 변환기 배열을 공급하는 복합적인 저 비용의 MMIC 증폭기들의 사용을 지지하는 RF 구동부의 개별 실행에 있어서, 전자 제어기 또는 다른 시스템이 데이터로 메모리를 채울 수 있을 것이며, 각각의 데이터 항목은 순간시의 2진 단어(binary word)로서 신호의 진폭을 나타낸다. 위상 누산기로서 계수기는 주파수 기준으로부터 각 펄스 상에서 증분(increments)으로 진행될 수 있으며, 데이터 표에 각 항목을 선택하기 위해 위상으로서 출력된다. DAC는 이러한 연속의 데이터를 아날로그 파형으로 변환할 것이다.

개별 집적 회로(IC's)는 개별적인 코어 칩 기능들(core chip functions)로 집적된 요소들과 함께 사용될 수 있으며, 다중 칩을 사용한다. 다른 동기기구가 공통 클록 동기기와 승산기(48)에 대하여 동기화될 것이다. 전력 증폭기(30)는 다중 동기 RF 소스들을 제공하기 위해 위상 배열 및 동기 접근법으로서 분포되어 사용될 수 있다. 집적 회로들 또는 공통 클록으로부터 그들의 공통 핵심 논리를 모두 추론한 조합으로서 복수의 직접 디지털 합성기들을 사용하는 것도 가능하다.

도 2와 도 3은 도 1에 도시된 음향광학 변조기(20)의 음향분광과 인접요소의 구동위상효율을 도시하는 그래프다. 앞에 언급한 바와 같이, 변조기(20)는 전극에 의해 정의된 방사 임피던스를 가지는 하중(load)에 명목상 정합하는 저 비용의 모놀리식 증폭기를 사용한다. 전체 배열의 크기는 방사 임피던스가 적절한 요소 크기를 선택함에 의해 조정될 수 있음에 따라, 변환기의 전체 정전용량에 의해 더 이상 제한되지 않는다. 결과로서, 장치의 전극 대역폭 능력을 향상시키기 위해 전체 방 사 저항을 상승시키도록 전극들을 분할하거거나 플립(flip)할 필요가 없다. 일부 경우에 획득할 수 있는 분산 효율의 크기 차수 증가(order of magnitude increase)와 함께 광 및 음장 간의 위상정합을 유지하기 위해 빔 조종이 영향을 받을 수 있다. 협소 대역의 스펙트럼 필터링에서의 개선이 성취가능하며, 열제어를 위한 하기 기술된 두 개-위상 RF 변조가 가능하다. 상기 시스템은 일부 가용한 설계보다 더 높은 확실성과 간소한 설계를 가진다.

도 2는 DDS 구동 회로(22)에 의해 생성된 개별 전극들의 위상을 변경함에 의해 발생하는 음향광학 벌크매체로서 결정체 내부의 빔 조종을 도시한다. 도시되고, 상술된 구동부는 음향광학 벌크매체 주위에 빔을 조정하는데 사용될 수 있다. 0 휘도선의 오른쪽을 향하는 파선은 빔 조종으로 기술된 기능을 도시한다.

도 3은 광 및 음장 간에 정합된 빔을 유지하기 위해 소정의 주파수에 적용되어야만 하는 인접 전극들 사이의 위상 변화의 전형적인 값을 도시한다.

도 4 내지 도 6은 상기 시스템의 온도 확실성을 연장하고, 분할된(변환기) 압전판을 사용하여 거친 환경에서 생존성을 강화하는 음향광학 변조기를 도시한다. 도 1에 관련하여 기술된 공통 요소들은 도 4 내지 도 6과 관련하여 동일한 참조 번호가 제공된다.

종래의 음향광학 장치들은 전형적으로, 벌크매체에 초음파 변형장을 내보내는데 적합한 투명 벌크매체에 접착되는 하나 이상의 모놀리식 압전판들을 병합한다. 이들 판들은 본 기술분야의 당업자에게 전형적으로 공지된 제재를 사용하여 형성된다. 보통, 저 컴플라이언스 합금 결합은 하나의 계면을 제공하기 위해 두 개의 구성요소들을 다함께 용해하며, 상기 판과 광학 벌크매체 사이에 광대역의 임피던스 정합을 수용하며 낮은 음향 손실을 결과한다. 접지면이 전형적으로 포함된다. 저 컴플라이언스의 계면에 의해 결합된, 상기 판과 광학 벌크매체의 상이한 열팽창(CTE) 계수의 조합은 국부전단 CTE 부정합을 생성하여, 확장된 온도 조건에 영향을 받는 대형 판과 향광학 장치들의 파괴 및 고장을 결과하는 응력으로 이끌 수 있다. 이들 확장된 온도 조건들은 비 동작 상태, 즉 생존성 저장 온도에서, 또는 고도 신호 조건의 결과로서 일부의 경우 모두에서 일어날 수 있다.

비동작 저장 조건 동안에 이들 광학음향 장치들의 생존성 온도를 연장하는 일부 선행기술의 접근법들은 임계 장치의 계면에 의해 보이는 온도 변화를 제한하기 위해 능동적인 열저항 가열기 또는 열전 펠티에(peltier) 장치를 사용한다. 조심스러운 수동 열 설계와 병행하여, 유사한 접근법들이 변환기의 동작이 허용되는 극한 온도를 최소화하기 위해 장치의 능동 동작 동안에 사용될 수도 있다.

도 4 내지 도 6에 도시된 변조기는 분할된 압전 "타일(tiles)"(50)의 배열로 쪼개진 모놀리식 압전 변환기 판을 가진다. 정화된(polished) 압전 변환기 판에 만들어진 미세 절단부(51)가 접착 전에, 도 6에 도시된 바와 같이 적절한 공진 두께(resonant thickness)로 판을 축소한 후에 개별적으로 접착된 "타일"로서 나타난다. 상기 전극들은 일 배열로서 개별 구동되거나 또는 전기적으로 다함께 연결되어 단일의 모놀리식 변환기로서 구동될 수 있다.

변환기 부분들의 개별 측면 면적(dimension)들의 축소로 벌크매체가 작아짐에 따라 변환기 판(transducer platelet)의 요소들과 기판(substrate) 사이의 자유 경계부에서 전체 차등 연장(total differential elongation)이 일반적으로 일어날 것이기 때문에, 금속들을 섞어 진공에 의해 생성된 제한 경계부는 종래의 큰 변환기 구조에 비해 더 작은 양의 전단응력(shear stress)을 축적한다. 결과로서, 이들 결정성 물질의 파괴 한계선(fracture limit)은 상기 결합이 형성되는 것보다 극한인 소정의 온도에 이를 가능성이 거의 없다.

음향광학 장치의 온도 확실성을 확장하는 이러한 접근법은 자연적으로 수동적이며, 대면할 수 있는, 대기 온도의 양극단에 걸쳐 생존성을 높이기 위해 저장 동안에 능동적인 시스템을 필요로 하지 않는다. 또한, 열생성된 응력, 관련 균열 및 접착 층분리로 인해 장치의 수명을 줄이는 고 전력의 응용물들은 결합 계면에 생성된 전체 응력의 크기(magnitude) 감소로 이점을 얻을 수도 있다.

이러한 구조는 다양한 레이저 공진(cavity) 장치들 및 매체-전원(medium-powered), 공기-냉각식의 Q 스위치 장치들을 포함한 음향광학 변조기 구성요소들에 적용될 수 있다. 상기 구조는 또한, 공간 한정(space qualification) 응용물들에 사용될 수 있다.

도 4는 음향광학 벌크매체(42)가 변환기 판으로부터 생성되는 분할된 압전 "타일"과 분할된 전극들(28)을 포함하는 음향광학 변조기(20)를 도시한다. 각각의 전극(28) 및 "타일형" 변환기 판(50)은 도 1에 도시된 다른 회로 구성요소들과 함께, 각각의 전력 증폭기(30)에 연결되며, 상기 전력 증폭기 및 구동부에 대응하는 블록(22)에 의해 일반적으로 나타내어진다.

도 5는 축소 이전의 변환기 판을 도시하는 한편, 도 6은 축소 후의 변환기 판을 도시한다.

변환기 판을 분할함에 의해, 차등 팽창(differential expansion)을 위해 더 많은 방들이 허용된다. 타일링(tiling)에 의해 고정되어 작아진 거리는 응력의 "축적(build-up)을 감소시킨다. 도 5는 변환기 판이 절단 전에 약 0.030 내지 0.040 인치의 두께일 수 있는 축소 전의 변환기 판을 도시한다. 절단물을 약 0.002 내지 0.003 인치의 두께로, 즉 약 50 내지 약 75 미크론의 깊이로 사전경계하거나 사전절단하는 것이 가능하며, 변환기 판은 관심 주파수에서 약 절반 파장의 음향 두께인 공진 두께로 감소할 수 있다. 전형적으로, 이는 소망 두께로서 약 20 내지 약 50 미크론일 수 있다. 변환기 판이 도 6에 도시된 바와 같이 감소할 때에, 절단부를 약 50 내지 약 75 미크론으로 만들어, 상기 절단부가 소망하는 공간배치로 있을 것이다.

제조 동안에, 대량의 전위(potential) 변환기 판들이 약 200 내지 약 150 미크론, 또는 약 0.004 인치의 깊이로 절단될 수 있어, 상이한 변환기 판들이 사용될 수 있으며, 공진 두께로 감소할 수 있음을 보장한다.

변환기 판을 접지면 또는 벌크매체에 접착하기 전에 이를 절단하는 것이 바람직한데, 왜냐하면, 상기 변환기 판이 접착된 후에 절단부들이 만들어지는 경우, 상기 접지면이 뜻하지 않게 절단될 수 있기 때문이다. 소형의 기하학적 구조(geometries)를 위해 식각 이온 제조 공정(etch ion mill process), 마스크 공정 또는 스퍼터 공정(sputter process), 및 이온 빔 공정을 사용하는 것도 가능하다. 하모닉 쏘우(Harmonic saw)가 또한, 약 0.003 내지 약 0.005 인치인 기하학적 구조 를 획득하기 위해 사용될 수 있다.

제조 동안에, 접지면은 보호되어야만 한다. 이는 다른 구성요소들과 함께 커패시터와 유사하게 동작하며, 절단되어서는 아니 된다. 판의 크기에 상대적인 틈(gap)의 크기는 일부 응용물들에서 중요할 수 있다. 사이드로브(sidelobes)가 음향 회절 패턴으로 생성되기 때문에, 절단부들이 상기 영향들에 대응(counter)하기 위해 전극들의 폭에 비해 작지 않은 한, 바람직하지 않은 각들로 에너지가 이동(remove)될 수 있다.

도 7 내지 도 10은 광학 파면의 음향광학 강도 변조를 실행하는 RF 위상 변조 기술의 세부사항을 도시한다. 도 7 및 도 8에서, 전극들이 (28)에 도시된다. 변환기 판(40)과 접지면(43)이 도 1에서와 같이 벌크매체(42)에 부착된다.

광학 빔의 강도를 변조하기 위해 음향광학 변조를 사용하는 일부 응용물들에 대해, 장치에 대한 RF 변조 파형이 ON 및 OFF로 변환될 때에 도입된 국부적 열전달에 의해 생성된 회절 빔의 출력 각에서 작은 편차가 생성된다. 이들 열전달은 동작에서 생성되는 집중점의 분해능에 부정적으로 영향을 미칠 수 있다.

종래의 RF 변조 파형과 함께 일어나는 각 편이(angular shift)를 안정화하기 위한 현재의 접근법들은 결정체, 즉 음향광학 벌크매체에서 생성된 온도의 크기(magnitude) 및 기하학적 구조 변화의 영향들을 최소화하기 위해 국부적인 수동식 열 접근법들에 의존한다. 능동 분포된 박막 가열 접근법들도 실행되었으며, 이는 보상(compensatory) 열가열을 제공하고, 변환기에 정지 열장(stationary thermal field)을 생성하기 위해 입력된 RF 구동 신호를 능동 감시하고, 평균화하 는 것을 필요로 한다.

본 발명의 비제한적인 실시예에 의하여, 일정한 RF 전력의 위상 변조된 RF 파형은 음향광학 장치에 소망하는 광학 변조를 주며, 이로써 종래의 구동 접근법들과 관련한 벌크매체 내의 열전달 발생을 제거하거나 상당히 감소시킨다.

본 발명의 비제한적인 실시예에 의하여, 상기 시스템 및 방법은 선형 전극 배열의 동기 위상 맞추기(phasing:페이징)를 사용하여, 음향장의 각 운동량 분포를 변경하고, 음향 및 광학장 간에 위상정합을 교대로 허용하거나 억제한다. 이는 광학 파면의 소망하는 강도 변조를 준다. 변조한 RF 파형은 일정한 평균의 포락선 전력으로 이루어질 수 있으며, 상기 변조 RF 파형의 표준 ON/OFF 방식(keying)에 의해 생성된 열전달이 크게 제거될 수 있다. 음향광학 벌크매체 내의 열 프로파일은 각 변환기 전극에서의 변환 공정에서 생성된 열에너지가 RF 파형의 위상에 따라 달라지지 않으므로 본질적으로 정지되어 유지될 수 있다. 방사된 음향파면의 음향 감쇠로 인해 음향광학 벌크매체 내의 열원 효과는, 평균 근접한 변형장 분포(average near field strain distribution)가 본질적으로 고정적으로 유지됨에 따라 광학적으로 크게 집적된다.

상기 시스템 및 방법은 단일 및 다중 채널의 음향광학 변조기 및 반도체 제조 및 점검에 사용되는 관련 구성요소들에 적용될 수 있다. 특히, 각 편차는 플로리다, 멜번의 해리스 회사에 의해 제조된 모델 H-600 시리즈의 음향광학 변조기와 같은 현존하는 32-채널의 음향광학 변조기 장치들에서 특징이 부여되고, 측정되었다.

도 9는 입사광파의 충분한 회절을 지지하는데 필요한 면적을 가지는 초음파 변환기 배열을 포함하는 인접 변환기 요소들 간에 180도의 위상 편이를 적용함에 의해, 변환기 보어사이트의 파수벡터(wavevector)를 가지는 정상 정합 조건(normal phase matching condition)이 망치게 되는 등방성 음향광학 상호작용의 파수벡터도를 도시한다.

도 10은 변환기 요소들이 같은 위상에 있고, 강력한 빛의 회절이 일어날 경우 및 교체 요소의 180도 두 개-위상 조건이 적용되어, 입사광과 위상 정합된 음향 에너지를 최소화하는 경우의, 변환기 배열을 위한 산출 음향 파수벡터의 스펙트럼을 도시하는 그래프이다. 현명한 선택의 요소 공간배치 및 조심스러운 위상 오차 제어에 의해, "오프" 상태 동안에 생성된 분산의 잔여 수준(residual level)은 허용가능한 수준, 전형적으로 "온" 상태 수준 이하의 30 dB로 감소할 수 있다. 이러한 대조비는 광학 매체에 의한 광학 파면의 잔여분산으로 인해 AO 변조에 대해 일반적으로 생성된 수준에 필적하거나 또는 그보다 더 낫다.

도 7 및 도 8은 비-맞물림 시스템(도 7) 및 맞물림 시스템(도 8)을 도시한다. 양쪽 시스템들에서 열제어를 위한 위상변조는 교체 전극들의 위상으로 조정될 것이라는 것을 이해해야 한다. 음향광학 변환기로서, 두 개의 교체 부분들이 음향광학 벌크매체에서 특정한 방사 빔 패턴을 생성하도록 180도 다른 위상으로 구동된다. 상기 맞물림 시스템에 보이는 양음 연결(positive and negative connections) 및 접지면 연결로서 제3 연결이 있을 수 있다.

도 9는 K-공간도로서 그래프를 도시한다. K 운동량 벡터는 위상정합을 도시 한다. 입사 및 회절 광학파 벡터들(incident and diffractive optical wave vectors)이 등방성의 음향광학 벌크매체에 K_i 및 K_d로서 도시된다. 상기 등방성 상호작용은 한 사이클 내에서 분산을 허용하며, 광 및 음장 간의 위상정합을 초래한다.

도 10에 보이는 바와 같이, 파선에 의해 보이는, 전극 구조에 있는 교체 요소들의 위상이 그들의 인접 이웃부들과 180도 다른 위상으로 구동되는 경우, 0 라디안의 중간에 있는 로브들은 감소한다. 도 10의 그래프에 있는 중심부에 도시된 바와 같이, 에너지는 ON/OFF 분산 모드와 유사하게 작용하며, 약 30 데시벨로 감소한다. 따라서, 교체 전극들의 위상이 적용될 수 있다.

전체 배열이 동위상에 있는 경우, 결과한 실선은 광 분산을 도시한다. 따라서, 시스템은 기술된 바와 같이 위상 배열 시스템에서 인접 전극들의 위상을 변경함에 의해 변조하거나 또는 "오프 전환(turns off)" 한다. 이러한 변조 방식(scheme)은 증폭기들이 분포되지 않고, 높은 전력 전계 효과 트랜지스터와 높은 전력 출력 단계들을 필요로 할 수 있는 하이브리드 증폭기 시스템에 비해, 저 비용의 증폭기 사용을 직접적으로 지지한다. 이는 일반적으로 열소산(heat dissipation)을 허용하기 위해 방열판 성능의 증가를 필요로 할 것이다. 증폭기의 출력 차단점이 높아야 하므로 높은 동작 전압도 필요로 할 것이다. 동시에, 이러한 변조 방식은 상술한 방식으로 광학 빔의 변조에 영향을 미칠 수 있도록, 각각이 독립적인 위상 제어를 가지는 두 개의 맞물림 변환기들을 구동하는 각기의 증폭기를 가지는 전통적인 한 세트의 하이브리드 증폭기들을 사용하여 실행될 수 있다.

변환기 배열을 구동하기 위해 복수의 저 비용 증폭기들을 사용하는 것의 추가 이점은 확대된 단편 대역폭들에 걸쳐 대형 변환기들을 구동하는 능력의 향상을 포함한다. 전극들에 의해 정의된 방사 임피던스는 전체 임피던스가 정전용량에 반비례하기 때문에 향상된다. 따라서, 앞서 설명한 바와 같이 분할 영역들을 허용함에 의해, 정전용량을 더 작은 영역으로 억제하여 구동할 수 있다.

Claims (10)

1. 음향광학 변조기로서,

   음향광학 벌크매체와,

   상기 음향광학 벌크매체에 부착된 전극 회로를 포함하고, 상기 벌크매체에 부착되어 상기 전극 회로를 지지하며 전단응력과 온도 극한으로 인한 파단 가능성을 최소화하도록 구성되는 복수의 압전판 부분들을 포함하는 변환기와,

   상기 전극 회로를 구동하기 위해 상기 전극 회로에 연결되는 변환기 구동부를 포함하는 음향광학 변조기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 개별적인 판 부분들과 음향광학 벌크매체 사이의 공통 접지 금속을 분리시키거나 또는 달리 영향을 미치지 않고 상기 판 부분들을 생성하는 수단을 더 포함하는 음향광학 변조기.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 전극 회로는 선형 배열의 전극들을 포함하는 음향광학 변조기.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 각각의 압전판 부분은 각각의 전극을 지지하는 음향광학 변조기.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 변환기 구동부는 각각의 전극에 임의의 파형들을 출력하는 직접 디지털 합성기(DDS) 회로를 더 포함하는 음향광학 변조기.
6. 음향광학 변조기로서,

   음향광학 벌크매체와,

   상기 음향광학 벌크매체에 부착되며, 상기 음향광학 벌크매체에 부착되는 접지면과 상기 접지면에 부착되어 전단응력과 온도 극한으로 인한 파단 가능성을 최소화하도록 구성되는 복수의 압전판 부분들과 상기 복수의 압전판 부분들에 의해 운반되는 선형 배열의 전극들을 포함하는 압전변환기와,

   상기 전극들을 구동하기 위해 상기 전극들에 연결되며, 상기 전극들에 연결된 복수의 모놀리식 마이크로파 집적회로(MMIC) 증폭기들과 각각의 MMIC 증폭기에 연결되는 구동 제어기를 포함하며, 각각의 전극이 각각의 단일 MMIC 증폭기에 의해 위상 구동되어 각 전극 구동 파형의 위상과 진폭을 형성하고 빔 조정을 부여하는 변환기 구동부를 포함하는 음향광학 변조기.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 구동 제어기는 각각의 증폭기에 연결된 직접 디지털 합성기(DDS) 회로를 더 포함하는 음향광학 변조기.
8. 제 6항에 있어서,

   상기 접지면은 상기 판 부분들과 상기 음향광학 벌크매체 사이에 공통 접지 금속을 포함하는 음향광학 변조기.
9. 제 6항에 있어서,

   상기 공통 접지 금속은 상기 판 부분들로부터 분리되지 않는 음향광학 변조기.
10. 제 6항에 있어서,

    상기 각각의 압전판 부분은 각각의 전극을 지지하는 음향광학 변조기.

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