PL222899B1

PL222899B1 - Akusto-optyczny analizator widma sygnałów RF

Info

Publication number: PL222899B1
Application number: PL402564A
Authority: PL
Inventors: Jacek Galas; Adam Czyżewski; Dariusz Litwin
Original assignee: Inst Optyki Stosowanej
Priority date: 2013-01-27
Filing date: 2013-01-27
Publication date: 2016-09-30
Also published as: EP2948780B1; EP2948780A1; WO2014116128A1; PL402564A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest akusto-optyczny analizator widma sygnałów RF (Radio Frequency) przeznaczony do analizy i pomiarów widma sygnałów elektrycznych o wysokiej częstotliwości nośnej, impulsowych i ciągłych.

Do analizy i pomiarów widma sygnałów RF o wysokiej częstotliwości nośnej, impulsowych i ciągłych, stosuje się akusto-optyczne analizatory widma (AOA). Pozwalają one na analizę sygnałów w bardzo szerokim paśmie częstotliwości, rzędu kilkunastu GHz, z rozdzielczością od kilkudziesięciu kHz do kilku MHz. Zjawiskiem wykorzystywanym w analizatorach AOA do detekcji i analizy widma sygnałów RF jest ugięcie monochromatycznej wiązki światła laserowego na siatce dyfrakcyjnej wygenerowanej w materiale wskutek oddziaływania z nim rozchodzącej się w nim fali akustycznej. Fala akustyczna wzbudzana w materiale przez przytwierdzony do niego przetwornik piezoelektryczny, generuje w materiale siatkę dyfrakcyjną Bragga. Kąt ugięcia wiązki światła monochromatycznego na wygenerowanej siatce dyfrakcyjnej jest proporcjonalny do częstotliwości v sygnału RF, natomiast natężenie ugiętego światła jest funkcją amplitudy sygnału RF. Analiza widma częstotliwościowego sygnału RF sprowadza się do pomiaru kąta ugięcia wiązki światła monochromatycznego (laserowego) oraz natężenia światła ugiętego pod danym kątem. Detekcja fal ugiętych pozwala odtworzyć skład częstotliwościowy sygnału RF doprowadzonego do przetwornika.

Znane są dwa podstawowe rodzaje analizatorów AOA. W pierwszym z nich sygnał RF jest doprowadzany do przetwornika piezoelektrycznego przytwierdzonego do kryształu optycznego, w którym wzbudza falę akustyczną. Fala ta generuje wewnątrz kryształu objętościową siatkę dyfrakcyjną Bragga, której częstość przestrzenna jest proporcjonalna do częstotliwości sygnału RF. Na siatkę tę pada poprzecznie do niej monochromatyczna wiązka światła. Światło ugięte na siatce dyfrakcyjnej Bragga jest ogniskowane przez soczewkę na wielosegmentowym detektorze światła. Pozycja plamki świetlnej na detektorze jest funkcją częstotliwości v sygnału RF, a natężenie światła mierzonego przez detektor jest proporcjonalne do amplitudy tego sygnału. Znając natężenie światła padającego na poszczególne komórki wielosegmentowego fotodetektora można określić wartości składowych częstotliwościowych sygnału RF dochodzącego do przetwornika piezoelektrycznego.

Analizatory AOA pierwszego rodzaju budowane są w oparciu o klasyczne trójwymiarowe układy optyczne 3D. Przykładowa konfiguracja takiego analizatora jest opisana w zgłoszeniu patentowym FR2732468 (The broadband acousto-optic spectrum analyzer).

W drugim rodzaju analizatorów AOA, wykonanych w tak zwanej technologii planarnej, powierzchniowa fala akustyczna, wygenerowana przez przetwornik piezoelektryczny pobudzany sygnałem RF, rozchodzi się na powierzchni kryształu i generuje na niej powierzchniową planarną siatkę dyfrakcyjną. Monochromatyczna wiązka światła rozchodzi się w światłowodzie planarnym wytworzonym na powierzchni kryształu i formowana jest przez cienkowarstwowe soczewki planarne utworzone na powierzchni kryształu w warstwie światłowodu. Pierwsza z soczewek formuje płaską równoległą wiązkę światła rozchodzącą się poprzecznie do fali akustycznej. Wiązka ta ulega ugięciu na siatce dyfrakcyjnej wygenerowanej przez falę akustyczną. Druga soczewka ogniskuje wiązki światła, ugięte na planarnej siatce dyfrakcyjnej, na wielosegmentowym detektorze światła scalonym ze światłowodem. Pozycja plamki świetlnej na detektorze jest funkcją częstotliwości v sygnału elektrycznego RF a natężenie światła jest proporcjonalne do amplitudy sygnału. Znając natężenie światła padającego na poszczególne komórki wielosegmentowego fotodetektora można określić wartości poszczególnych składowych częstotliwościowych sygnału RF dochodzącego do przetwornika piezoelektrycznego. Przykładowa konfiguracja takiego analizatora wykonanego w technologii planarnej jest opisana w zgłoszeniu patentowym US4253060 (RF spectrum analyzer).

Akusto-optyczny analizator widma sygnałów RF, wyposażony w źródło światła polichromatycznego, spektrometr optyczny z wielosegmentowym detektorem światła, oraz przetwornik akusto-optyczny umieszczony na drodze wiązki światła, posiadający przetwornik piezoelektryczny połączony ze źródłem sygnałów RF, który wzbudza falę akustyczną tworzącą w obszarze rozchodzenia się tej fali siatkę Bragga, według wynalazku charakteryzuje się tym, że w skład przetwornika akusto-optycznego wchodzi krótki odcinek światłowodu, do podstawy którego jest przytwierdzony przetwornik piezoelektryczny, przy czym przeciwny koniec krótkiego odcinka jest połączony z drugim odcinkiem światłowodu połączonym poprzez dzielnik wiązki z pierwszym odcinkiem światłowodu, do którego jest przyłączone źródło światła polichromatycznego, i trzecim odcinkiem światłowodu, do którego jest przyłączony

PL 222 899 B1 spektrometrem optyczny, przy czym przetwornik piezoelektryczny jest usytuowany na przedłużeniu osi optycznej drugiego odcinka światłowodu.

Inny akusto-optyczny analizator widma sygnałów RF, wyposażony w źródło światła polichrom atycznego, spektrometr optyczny z wielosegmentowym detektorem światła, oraz przetwornik akusto-optyczny umieszczony na drodze wiązki światła, posiadający przetwornik piezoelektryczny połączony ze źródłem sygnałów RF, który wzbudza falę akustyczną tworzącą w obszarze rozchodzenia się tej fali siatkę Bragga, według wynalazku charakteryzuje się tym, że w skład przetwornika akusto-optycznego wchodzi soczewka gradientowa złożona z dwóch połączonych współosiowo części, pierwszej i drugiej, przy czym przetwornik piezoelektryczny jest przytwierdzony do podstawy pierwszej części, zaś podstawa drugiej części jest połączona z drugim odcinkiem światłowodu połączonym poprzez dzielnik wiązki z pierwszym odcinkiem światłowodu, do którego jest przyłączone źródło światła polichrom atycznego, i trzecim odcinkiem światłowodu, do którego jest przyłączony spektrometrem optyczny, przy czym przetwornik piezoelektryczny (PP) jest usytuowany na przedłużeniu osi optycznej drugiego odcinka (B) światłowodu.

Korzystnym jest, jeżeli pomiędzy pierwszą częścią i drugą częścią soczewki gradientowej jest umieszczona współosiowo przesłona o średnicy mniejszej od średnicy soczewki gradientowej w strefie połączenia obu części.

Korzystnym jest także, jeżeli, pomiędzy pierwszą częścią i drugą częścią soczewki gradientowej jest umieszczona warstwa tłumiąca falę akustyczną wzbudzaną w pierwszej części.

W rozwiązaniu według wynalazku do analizy widma sygnału RF wykorzystuje się zjawisko selektywnego odbicia światła o różnych długościach fal od objętościowych siatek dyfrakcyjnych Bragga generowanych falą akustyczną za pomocą sygnału RF. Dzięki temu możliwe jest wykorzystanie światła polichromatycznego bez pogorszenia takich parametrów jak rozdzielczość i stosunek sygnału do szumu.

Wynalazek jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie akusto-optyczny analizator AOA widma sygnałów RF, fig. 2 przedstawia przetwornik akusto-optyczny złożony z przetwornika piezoelektrycznego przytwierdzonego do krótkiej części światłowodu w widoku z boku, a fig. 3 przedstawia przetwornik akusto-optyczny złożony z przetwornika piezoelektrycznego przytwierdzonego do soczewki gradientowej.

Jak przedstawiono na fig. 1, akusto-optyczny analizator widma sygnałów RF jest wyposażony w źródło światła polichromatycznego ZSP z pierwszą soczewką S1 wprowadzającą światło do pierwszego odcinka A światłowodu, przetwornik akusto-optyczny PAO połączony z drugim odcinkiem B światłowodu, dzielnik wiązki DW, oraz spektrometr optyczny do analizy widma spektralnego światła dołączony do trzeciego odcinka C światłowodu. Odcinki A, B, C światłowodu są połączone ze sobą poprzez dzielnik wiązki DW. Światło polichromatyczne ze źródła światła ZSP dochodzi poprzez dzielnik wiązki DW do drugiego odcinka B światłowodu zakończonego przetwornikiem akusto-optycznym PAO. W skład przetwornika akusto-optycznego PAO wchodzi przetwornik piezoelektryczny PP przytwierdzony do krótkiego odcinka D światłowodu. Odcinek ten jest połączony czołowo z drugim odcinkiem B światłowodu. Przetwornik piezoelektryczny PP pobudzany sygnałem RF wzbudza w krótkim odcinku D światłowodu falę akustyczną generującą w nim objętościową siatkę dyfrakcyjną Bragga. Światło odbite od objętościowej dyfrakcyjnej siatki Bragga dochodzi poprzez drugi odcinek B światłowodu, dzielnik wiązki DW i trzeci odcinek C światłowodu do spektrometru optycznego na wyjściu analizatora AOA. Spektrometr optyczny jest złożony z soczewki wejściowej S2, siatki dyfrakcyjnej SD spektrometru, soczewki wyjściowej S3 oraz wielosegmentowego fotodetektora FD. W układzie optycznym spektrometru soczewka wejściowa S2 jest soczewką kolimującą światło wychodzące z trzeciego odcinka C światłowodu, tworzącą równoległą wiązkę światła padającą na siatkę dyfrakcyjną SD spektrometru. Siatka ta ugina światło o różnych długościach fal pod różnymi kątami, a socze wka wyjściowa S3 ogniskuje światło o różnych długościach fal na wielosegmentowym fotodetektorze FD, przy czym na każdy elemencie fotodetektora ogniskowane jest światło o innej długości fali λ.

Jak przedstawiono na fig. 2, przetwornik akusto-optyczny PAO składa się z przetwornika piezoelektrycznego PP przytwierdzonego do czoła krótkiego odcinka D światłowodu, w którym może rozchodzić się fala akustyczna. Drugi koniec krótkiego odcinka D jest połączony czołowo z drugim odcinkiem B światłowodu. Sygnał elektryczny RF doprowadzony do przetwornika akusto-optycznego PAO generuje w nim falę akustyczną tworzącą w obszarze jej rozchodzenia światłowodową dyfrakcyjną siatkę Bragga SSB, która odbija selektywnie światło, o długości fali λ opisanej wzorem:

PL 222 899 B1 λ=2π_εΛ gdzie n_e jest efektywnym współczynnikiem załamania materiału krótkiego odcinka D światłowodu, w którym rozchodzi się światło i jednocześnie fala akustyczna, natomiast A jest okresem światł owodowej siatki dyfrakcyjnej Bragga SSB wygenerowanej falą akustyczną w krótkim odcinku D światłowodu. Fala akustyczna generowana w materiale przez sygnał RF o częstotliwości v, tworząca światłowodową siatkę dyfrakcyjną Bragga SSB o okresie Λv, odbija w światłowodzie światło o długości fali λ_ν. Natężenie światła odbitego o danej długości fali jest proporcjonalne do natężenia odpowiedniej składowej częstotliwościowej sygnału RF. Spektrometr optyczny dokonując analizy spektralnej światła na wyjściu analizatora AOF dokonuje tym samym analizy widma sygnału RF.

Jak przedstawiono na fig. 3, inny przetwornik akusto-optyczny PAO jest zbudowany z przetwornika piezoelektrycznego PP oraz dwuczęściowej soczewki gradientowej złożonej z pierwszej części G1, do której podstawy jest przytwierdzony przetwornik piezoelektryczny PP, i drugiej części G2, do której podstawy jest przytwierdzony czołowo drugi odcinek B światłowodu. Obie części G1 i G2 są połączone współosiowo wewnętrznymi podstawami, przetwornik piezoelektryczny PP i drugi odcinek B światłowodu są usytuowane na przedłużeniu osi optycznej soczewki gradientowej. W pierwszej części G1 soczewki gradientowej przetwornik piezoelektryczny PP generuje falę akustyczną, która tworzy objętościową siatkę dyfrakcyjną Bragga SB. Drugi odcinek B światłowodu doprowadza do soczewki gradientowej wiązkę światła polichromatycznego. Światło odbite od objętościowej dyfrakcyjnej siatki Bragga SB jest przesyłane światłowodami poprzez dzielnik wiązki DW do spektrometru optycznego na wyjściu analizatora optycznego AOA.

W przetworniku akusto-optycznym PAO przedstawionym na fig. 3 światło polichromatyczne wprowadzone do drugiego odcinka B światłowodu dochodzi do drugiej części G2 soczewki gradientowej w punkcie początkowym A1 znajdującym się na jej osi optycznej. Od tego punktu promienie świetlne przebiegają w soczewce po liniach krzywych dzięki radialnym zmianom współczynnika załamania światła. Światło o danej długości fali λ wychodząc z punktu początkowego A1 skupia się wewnątrz drugiej części G2 soczewki gradientowej w punkcie końcowym B1 leżącym na osi soczewki. Światło o innej długości skupi się również na osi soczewki w pobliżu punktu B1. Miejsce skupienia promieni świetlnych na osi optycznej soczewki nie ma znaczenia dla działania przetwornika. Natomiast ważne jest, aby punkt skupienia znajdował się w obszarze rozchodzenia się fali akustycznej wzbudzanej przez przetwornik piezoelektryczny PP. Bieg promieni zaznaczono linią przerywaną. W strefie połączenia obu części soczewki gradientowej promienie światła są równoległe do jej osi optycznej. Po przejściu przez tą strefę promienie światła ponownie skupiają się w punkcie końcowym B1. W strefie połączenia pierwszej i drugiej części G1, G2 może być umieszczona warstwa tłumiąca falę akustyczną jak również przesłona W dla promieni świetlnych rozchodzących się najbliżej osi optycznej. Dzięki temu obszar oddziaływania fali akustycznej z wiązką świetlną został ograniczony do obszaru wokół punktu końcowego B1. Taka konstrukcja przetwornika akusto-optycznego PAO umożliwia analizę bardzo krótkich sygnałów RF, bowiem ich czas przejścia przez obszar oddziaływania z falą akustyczną jest bardzo krótki. W obszarze punktu końcowego B1 nastąpi selektywne odbicie światła o długości fali λ zależnej od częstotliwości sygnału elektrycznego RF pobudzającego przetwornik piezoelektryczny PP. Światło to powróci do punktu początkowego A1 soczewki i zostanie ponownie wprowadzone do drugiego odcinka B światłowodu, skąd zostanie przesłane do spektrometru optycznego. Ważne jest, by pierwsza część G1 soczewki gradientowej była na tyle długa, aby punkt skupienia wszystkich promieni świetlnych o różnych długościach fal znajdował się wewnątrz soczewki. Światło, które nie zostało odbite od siatki Bragga wygenerowanej przez falę akustyczną nie powróci do światłowodu, tylko po przejściu przez punkt końcowy B1 dojdzie do ścianek soczewki gradientowej, zostanie rozproszone i opuści soczewkę poprzez jej ścianki. Światło to nie będzie zaburzać pr ocesu pomiarowego, co pozwoli uzyskać wysoki stosunek sygnału do szumu w przyrządzie według wynalazku i umożliwi minimalizację błędów analizy widma sygnału elektrycznego RF.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Akusto-optyczny analizator widma sygnałów RF, wyposażony w źródło światła polichromatycznego (ZSP), spektrometr optyczny z wielosegmentowym detektorem światła (FD), oraz przetwornik akusto-optyczny (PAO) umieszczony na drodze wiązki światła, posiadający przetwornik piezoelekPL 222 899 B1 tryczny (PP) połączony ze źródłem sygnałów RF, który wzbudza falę akustyczną tworzącą w obszarze rozchodzenia się tej fali siatkę Bragga, znamienny tym, że w skład przetwornika akusto-optycznego (PAO) wchodzi krótki odcinek (D) światłowodu, do podstawy którego jest przytwierdzony przetwornik piezoelektryczny (PP), przy czym przeciwny koniec krótkiego odcinka (D) jest połączony z drugim odcinkiem (B) światłowodu połączonym poprzez dzielnik wiązki (DW) z pierwszym odcinkiem (A) światłowodu, do którego jest przyłączone źródło światła polichromatycznego, i trzecim odcinkiem (C) światłowodu, do którego jest przyłączony spektrometrem optyczny, przy czym przetwornik piezoelektryczny (PP) jest usytuowany na przedłużeniu osi optycznej drugiego odcinka (B) światłowodu.
2. Akusto-optyczny analizator widma sygnałów RF, wyposażony w źródło światła polichromatycznego (ZSP), spektrometr optyczny z wielosegmentowym detektorem światła (FD), oraz przetwornik akusto-optyczny (PAO) umieszczony na drodze wiązki światła, posiadający przetwornik piezoelektryczny (PP) połączony ze źródłem sygnałów RF, który wzbudza falę akustyczną tworzącą w obszarze rozchodzenia się tej fali siatkę Bragga, znamienny tym, że w skład przetwornika akusto-optycznego (PAO) wchodzi soczewka gradientowa złożona z dwóch połączonych współosiowo części (G1, G2), pierwszej i drugiej, przy czym przetwornik piezoelektryczny (PP) jest przytwierdzony do podstawy pierwszej części (G1), zaś podstawa drugiej części (G2) jest połączona z drugim odcinkiem (B) światłowodu połączonym poprzez dzielnik wiązki (DW) z pierwszym odcinkiem (A) światłowodu, do którego jest przyłączone źródło światła polichromatycznego, i trzecim odcinkiem (C) światłowodu, do którego jest przyłączony spektrometrem optyczny, przy czym przetwornik piezoelektryczny (PP) jest usytuowany na przedłużeniu osi optycznej drugiego odcinka (B) światłowodu.
3. Analizator według zastrz. 2, znamienny tym, że pomiędzy pierwszą częścią (G1) i drugą częścią (G2) soczewki gradientowej jest umieszczona współosiowo przesłona (W) o średnicy mniejszej od średnicy soczewki gradientowej w strefie połączenia obu części.
4. Analizator według zastrz. 2 albo 3, znamienny tym, że pomiędzy pierwszą częścią (G1) i drugą częścią (G2) soczewki gradientowej jest umieszczona warstwa tłumiąca falę akustyczną wzbudzaną w pierwszej części (G1).