NL8220148A

NL8220148A - Lensloze spectrumanalysator.

Info

Publication number: NL8220148A
Application number: NL8220148A
Authority: NL
Original assignee: Inst Optical Research
Priority date: 1981-04-27
Filing date: 1982-04-26
Publication date: 1983-03-01
Also published as: SE447935B; GB2110368B; WO1982003912A1; EP0071589A1; GB2110368A; SE8102671L; US4511206A; EP0071589B1

Description

ϊ 822 ύ. Ο -1- 22898/JF/mb

SAMENVATTING

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een lensloze spectrumanalysator, bij voorkeur van het gelntegreerde optische type, 5 met een stralingsbron (1) verbonden met een golfgeleider (2) die is ver-bonden met een electro-optisehe afbuiger (3), die gebruik maakt van het Pockel's effect. De straling van de afbuiger (3) wordt door de golfgeleider (2) geleid naar een detectiematrix (4). De electro-optisehe afbuiger (3) bestaat dan uit een electrodematrix (5) met de electroden (6-11) aan-10 gebracht in of in de nabijheid van een electro-optiseh actief materiaal (21). De electroden (6-11) die van verschillende breedten zijn en op verschillende afstanden van elkaar zijn aangebracht, zijn ingericht langs / een lijn (18) die grotendeels is aangebracht onder een rechte hoek met betrekking tot de invallende straling. Hierdoor verkrijgt de afbuiger 15 lenseigenschappen en kan de gewenste Fourier-transformatie van het elec-trische signaal, dat is verbonden met de afbuiger (3) uitvoeren. Gedurende deze transformatie wordt de invallende straling opgedeeld in stralen-bundels, die verschillende Fourier-componenten vertegenwoordigen en gefocusseerd langs een brandlijn (20) waarlangs de detectiematrix (4) is 20 ingericht. Aangezien de afbuiger lenseigenschappen bezit, wordt het mo-gelijk de gehele inrichting volgens de uitvinding in een gelntegreerde vorm uit te werken, waardoor de inrichting in zijn geheel kan worden ver-vaardigd door toepassing van fotolithografische technologie.

8220148 -2- 22898/JF/mb'

Lensloze speotrumanalysator

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een geinte-greerde optische speotrumanalysator voor analyse van de spectrale inhoud 5 van een electrisch signaal.

Het voordeel van het gebruik maken van optische signaalbe-werking is dat dit de mogelijkheid biedt van het detecteren binnen een zeer korte tijd «1 pts) van het optreden van een groot aantal gelijktij-dige signaalfrequenties, hetgeen met de huidige stand van de techniek 10 met zuiver electronische werkwijzen onmogelijk is. Bovendien kunnen optische spectrumanalysatoren zeer klein en licht worden vervaardigd, hetgeen van waarde is bij een enorme meerderheid van samenhangen. /

Dergelijke spectrumanalysatoren, die gebruik maken van acousto-optische effecten zijn enige jaren bekend. Een van dergelijke 15 analysatoren maakt gebruik van een acoustisch optisch gestuurde afbui-ging van een gecollimeerd lichtveld. Het afgebogen licht passeert een transformatielens die licht focusseert op een diodematrix. Als regel is de laatste aangebracht in een vlak, waarin het licht van een bron wordt geleid (optische golfgeleider) en waarin de lenzen golfgeleiderlenzen zijn, 20 bij voorkeur zogenaamde geodetische lenzen. De acousto-optische afbulging wordt bewerkstelligd door middel van een acoustische oppervlaktegolf van een acoustische oppervlakomzetter. Een volledige speotrumanalysator van deze soort kan afmetingen van 15 x 50 mm hebben.

Een hoofdnadeel van deze analysator volgens de Stand van de 25 techniek is dat de geodetische lenzen moeilijk en duur zijn te vervaardi-gen. Een gebruikelijke werkwijze voor het vervaardigen ervan is door diamant te draaien in een draaibank. Tot nu toe is het niet mogelijk ge-weest deze te vervaardigen met behulp van fotolithografische technologie, die anders voor de productie van de component wordt gebruikt. Dit betekent 30 op zijn beurt dat de nauwkeurigheid vragende uitrichting van de optische componenten moeilijk zal zi;jn.

Een verder nadeel van de bekende spectrumanalysatoren is dat deze zowel een constante analysetijd (T) als een constante bandbreedte (B) hebben.

35 Het doel van de onderhavige uitvinding is derhalve te voorzien in een geintegreerde optische speotrumanalysator die zowel een afzonder-lijke collimatielens als transformatielens mist, maar niettegenstaande deze functies uitvoert en die bovendien inderdaad een vast produkt van 8220148 -3- 22898/JF/rab tijd en bandbreedte (T x B) heeft, maar waarin de analysetijd virtueel arbitrair kan worden gekozen zolang het produkt maar constant is.

De onderhavige uitvinding tost deze problemen op op een wijze, die is gedefinieerd in het kenmerkende gedeelte van de bijbehorende hoofd-5 conclusie, waarbij wordt aangenomen dat de gelntegreerde optische spectrum-analysator bestaat uit een optische stralingsbron, die is verbonden met een optische golfgeleider. Deze golfgeleider is voorzien van een electro-nische optische afbuiger, die op zijn beurt is uitgerust met een electrodematrix en via electronische stuurschakelingen is verbonden het signaal, dat 10 dient te worden geanalyseerd. De spectrumanalysator volgens de uitvinding bestaat eveneens uit een met de golfgeleider verbonden deteetiematrix.

De onderhavige uitvinding heeft het kenmerk, dat de electrode- 1 matrix een aantal electroden omvat, die in lijn zijn geplaatst, welke genoemde electroden verschillende breedten en verschillende afstanden 15 tussen elkaar hebben en van gelijke of verschillende lengte zijn. Ze zijn ingericht met een overlangse richting grotendeels samenvallend met de richting van de optische straling, die invalt vanaf de stralingsbron en naar de afbuiger binnentreedt, waarbij de richting dus grotendeels onder een rechte hoek staat met de genoemde lijn. Verder is de diode-20 matrix naar de electro-optische afbuiger ingericht, gezien in de voort-plantingsrichting van de optische straling. De elementen van de detectie-matrix zijn dan ingericht om te zijn aangebracht langs een brandlijn, die wordt bepaald qua positie en richting door de parameters van de electrode-configuratie. Een bepaald punt in deze brandlijn komt dan overeen met een 25 gegeven frequentie van het te analyseren signaal.

Het is voordeliger gebleken de breedte van de electroden bij-voorbeeld, alsmede de ruimten daartussen kwadratisch langs de brandlijn te variSren. Dit geeft een lenseffect op het deel van de afbuiger, dat geschikt is voor het doel. Desalniettemin wordt verondersteld dat elke 30 electrode in de electrodematrix wordt voorzien van een afzonderlijke electrische signaalspanning, die wordt opgewekt door de genoemde elec-tranische stuurschakelingen. De stralingsbron kan een laserdiode zijn, die kan zijn geintegreerd in een golfgeleider of een extra golfgeleider of een optische vezel omvat, die optisch is verbonden met de golfgeleider 35 van de spectrumanalysator, welke extra golfgeleider of vezel kan worden gevoed door bijvoorbeeld een laserdiode.

De deteetiematrix kan of een zuivere detectormatrix omvatten met de afzonderlijke detectoren aangebracht langs de brandlijn of een 8220148 -4- 22898/JF/mb reeks kanalen, golfgeleiders of vezels, die beginnen bij de brandlijn en aan het andere einde waarvan een detector is aangebracht voor elk kanaal of elke golfgeleider of vezel.

Tenslotte verdient het de voorkeur de electrodematrix aan te 5 brengen in of in de nabijheid van een actief electro-optisch materiaal, dat het geheel of een deel van de golfgeleiderlaag van de golfgeleider omvat, op zodanige wijze, dat de afbuiger is gelntegreerd met de optische golfgeleider in een enkele optische component. De laatstgenoemde dient dan in zijn geheel fotolithografisch te produceren te zijn.

10 Ofschoon de voordeligste uitvoeringsvorm van de uitvinding is dat deze volledig is gelntegreerd in dunne filmtechnologie, werkt het principe van de onderhavige uitvinding desalniettemin eveneens in i bulkconfiguraties.

Hierna wordt voorzien in een gedetailleerdere beschrijving 15 van de uitvinding, waarbij wordt verwezen naar de bijbehorende fig. 1-4, waarbij fig. 1 een bekende optische spectrumanalysator toont, fig. 2 het principe van een spectrumanalysator volgens de onderhavige uitvinding laat zien, 20 fig. 3 een inrichting volgens de onderhavige uitvinding in een onwerkelijkere schaal-representatie toont en waarbij fig, 4 tenslotte een doorsnede van een afbuiger volgens de uitvinding laat zien.

25 Getoond in fig. 1 is een principeschets van een bekende spectrumanalysator, die gebruik maakt van optische signaalbewerkingen.

In deze inrichting wordt het3icht geleid van een laserdiode (30) naar een collimerende geodetische lens (31). De lichtgeleiding vindt plaats in een golfgeleider (32) op een substraat (33). Na de collimerende lens (31), 30 wordt het nu gecollimeerde licht naar een transformatielens (34) geleid, die het licht onderbreekt en dit focusseert op een referentiedetector (35). Aan de zijde van het gecollimeerde licht is er een acoustische op-pervlakte-omzetter (36) die een acoustische oppervlaktegolf (37) uitzendt naar het gecollimeerde licht. De omzetter wordt bekrachtigd door de spanning, 35 die dient te worden geanalyseerd in termen van frequentie. Wanneer een spanning met een bepaalde frequentie de omzetter (36) aanstuurt, wordt een acoustische oppervlaktegolf gevormd met een golflengte, die overeen-komt met deze frequentie. Dit heeft een afbuiging van het gecollimeerde 8220148 *1 -5- 22898/JF/mb ' licht met een specifieke hoek tot gevolg. Het afgebogen licht wordt ge-focusseerd op een van de eenheden in een deteetie-inrichting (38).

De geodetische golfgeleiderlenzen zijn in praktijk slechts een klein aantal millimeters groot en zijn zeer moeilijk te vervaardigen.

5 Aangezien ze ook dienen te worden vervaardigd onder gebruikmaking van een andere techniek, dan die wordt toegepast voor het maken van andere compo-nenten, worden moeilijke uitrichtproblemen ontmoet.

Getoond in fig. 2 is een algemene inrichtingsschets van een spectrumanalysator volgens de onderhavige uitvinding. Hier wordt de 10 straling geleid van de stralingsbron (1) in een golfgeleider (2), die is samengesteld uit een golfgeleidende laag (21 in fig. 4) op een substraat naar een electro-optische afbuiger (3). De laatstgenoemde vervangt zowel / de collimatielens als transformatielens, alsmede de aooustische opper-vakte-omzetter in de inrichting van de stand van de techniek volgens 15 fig. 1. Deze afbuiger (3) bestaat uit een electrodematrix (5), die is aangebracht in of in de nabijheid van een electro-optisch actief materiaal, bijvoorbeeld titaan-lithium-niobaat, welke tegelijkertijd de golfgeleider (2) vormt. Door de electrodematrix (5) te laten bestaan uit electroden (6-11) met verschillende breedten en ingericht met ver-20 schillende afstanden (12-16) aangebracht langs de lijn (18), blijkt de afbuiger (3) lenseigenschappen te bezitten. Hierdoor is het niet nood-zakelijk voor het invallende licht om gecollimeerd te zijn, hetgeen de behoefte aan een collimerende lens uitsluit. Bovendien bestaat er even-eens geen behoefte aan een transformatielens, aangezien de afbuiger (3) 25 door de keus van electroparameters zo kan worden uitgewerkt dat deze zelf het signaal Fourier-transformeert. Verschillende frequenties (Fourier-componenten) zullen dan het licht focusseren op verscillende punten langs een brandlijn (20). Vanwege deze reden is de detectiematrix (4) met een aantal detectie-elementen aangebracht langs de brandlijn (20) en bijge-30 volg zal een gewogen spectrum bij de detectie-elementen worden verkregen.

Het uiterlijk van de lijn (20) en de plaats ervan hangt onder andere factoren af van de configuratie van de electrodematrix (5).

Fig. 3 toont een spectrumanalysator volgens de onderhavige uitvinding in juistere proporties. Hier zendt de stralingsbron (1) 35 straling naar de afbuiger (3) waarvan de electroden zijn verbonden met een voedingsnetwerk (25) die deze afzonderlijk voedt met spanning. Na het passeren van de afbuiger (3) wordt het licht gefocusseerd op de detectiematrix (4).

8220148 » -6- 22898/JF/mb

Fig. 4 tenslotte toont een doorsnede langs eenlijn (18) door een spectrumanalysator volgens de uitvinding. De electroden (6-11) zijn dan aangebracht op een actief medium (21) dat gelijktijdig de golfgeleider (2) op het substraat (24) omvat. Het actieve medium kan bijvoorbeeld be-5 staan uit titaan-lithium-niobaat, terwijl het substraat (24) dan bijvoorbeeld kan bestaan uit lithium-niobaat. De bufferlaag (23) dient om te voorkomen dat de electroden (6-11) interfereren met de golfgeleiding in de golfgeleider (21) die bij voorkeur van het variabele index (gegra-deerde index) type is.

10 Ofschoon het gewoonlijk het voordeligst is gebruik te maken van de raogelijkheid te totale spectrumanalysator volgens de onderhavige uitvinding in een gelntegreerd ontwerp te maken, door bijvoorbeeld ge- , bruik te maken van een fotolithografische techniek, ligt het gebruik van een bulktechniek eveneens binnen het inventieve concept.

8220148

Claims

1. Gelntegreerde optische spectrumanalysator, bestaande uit een optische stralingsbron (1), verbonden met een optische golfgeleider 5 (2), voorzien van een electro-optische afbuiger (3) met een electrode matrix (5), welke afbuiger via electronische stuurschakelingen electrisch is verbonden met het te analyserensignaal en door een detectiematrix (4) op gelijke wijze verbonden met de golfgeleider (2), met het kenmerk, dat de genoemde electrodematrix (5) bestaat uit een aantal electroden (6-11) 10 die in een lijn (18) zijn aangebracht, met verschillende breedten en ingericht met verschillende afstanden (12-16) en met gelijke of· verschillende lengten, waarbij de overlangse richtingen ervan grotendeels samenvallen met de richting van de optische straling (17), uitgezonden door de stralingsbron (1) en binnentredend op de afbuiger (3), welke 15 richting grotendeels onder een rechte hoek staat met de lijn (18) en dat de genoemde detectiematrix (4) is aangebracht na de electro-optische afbuiger, gezien in de richting van de uitbreiding van de optische straling en met de afzonderlijke detectieSlementen aangebracht langs een brandlijn (20), die wat betreft positierichting is bepaald door de 20 vooraf bepaalde parameters van de electrodeconfiguratie (6-16) en waar-langs elk punt overeenkomt met een gegeven frequentie van het te analyseren signaal.

2. Gelntegreerde optische spectrumanalysator volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de breedte van de electroden (6-11) en de grootte 25 van de afstanden (12-16) kwadratisch langs de lijn (18) varieert.

3. Gelntegreerde optische spectrumanalysator volgens conclusie 1 of conclusie 2, methet kenmerk, dat elke electrode ((6-11) wordt be-krachtigd door een afzonderlijke electrische signaalspanning van de genoemde electronische stuurschakelingen.

4. Gelntegreerde optische spectrumanalysator volgens een van de conclusies 1-3, met het kenmerk, dat optische stralingsbron (1) bestaat uit een laserdiode of een extra golfgeleider of optische vezel, die door een laserdiode wordt geSxiteerd,

5. Gelntegreerde optische spectrumanalysator volgens een van 35 de conclusies 1-4, met het kenmerk, dat de detectie-inrichting (4) bestaat uit of een pure detectormatrix met de afzonderlijke detectors aangebracht langs de brandlijn (20) of een reeks kanalen, die beginnen op de .brandlijn (20) en aan het andere einde waarvan een detector is aangebracht. 8 2 2 0 T 4 8 -8- 22898/JF/mb

6. Gelntegreerde optische spectrumanalysator volgens een van de oonclusies 1-5, met het kenmerk, dat de electrodematrix (5) is aange-bracht in of in de nabijheid van een electro-optisch actief raateriaal, omvattende de gehele of een deel van de golfgeleidende laag van de golf-5 geleider, op zodanige wijze, dat de afbuiger (3) is gelntegreerd met de optische golfgeleider (2) in een enkele component, die wordt vervaardigd door een fotolithografische techniek.

10 Eindhoven, december 1982 8220148