RU2154291C1 - Method for raising efficiency of linear optoelectronic digital-to-analog signal converter - Google Patents

Abstract

FIELD: optoelectronic information engineering; data display systems. SUBSTANCE: method includes input of parallel light flux formed by laser radiation source through prism into planar optical waveguide and output of one's complement converted input signal. Sufficient difference between refraction indices of waveguide and second upper substrate ensures propagation of light flux over waveguide by means of full internal returns. Changing refraction index of liquid crystal layer provides for full controlled internal returns of incoming light flux on lower surfaces. Applying input signal voltage corresponding to zero value to transparent bit electrodes provides for reflection of entire light flux; supplying one through liquid crystal layer ensures passage of half, then quarter, etc. of light flux and remaining portion of the latter incident on glass plates is reflected due to full internal return. EFFECT: improved efficiency and precision of digital signal conversion to optical analog signal. 8 dwg

Description

Предлагаемый способ относится к области оптоэлектронной информационной технике и может быть использован для построения систем отображения информации и преобразующих устройств. The proposed method relates to the field of optoelectronic information technology and can be used to build information display systems and converting devices.

Известны способы оптоэлектронного и цифроаналогового преобразования сигналов, например способы, рассмотренные в книгах: Суэмацу Я. и др. Основы оптоэлектроники. - М.: Мир, 1988, стр. 46, 256-259; А.А. Васильев и др. Пространственные модуляторы света - М.: Радио и связь, 1987, стр. 52 - 124; О. Н. Лебедев и др. , Микросхемы памяти, ЦАП и АЦП, М., Кубк-а, 1996, стр. 161-355; Marshall A., Optical Waveguide Display System, U.S. Patent 5596671 от 01.1997; Haijun Yuan, Demonstration of a Waveguide Based Liguid Crystal Display, Kent State University, USA, 1998. Known methods of optoelectronic and digital-to-analog signal conversion, for example, methods discussed in books: Suematsu Y. et al. Fundamentals of optoelectronics. - M .: Mir, 1988, p. 46, 256-259; A.A. Vasiliev et al. Spatial Light Modulators - M.: Radio and Communications, 1987, p. 52 - 124; O. N. Lebedev and others, Memory chips, DAC and ADC, M., Cup-a, 1996, pp. 161-355; Marshall A., Optical Waveguide Display System, U.S. Patent 5596671 from 01.1997; Haijun Yuan, Demonstration of a Waveguide Based Liguid Crystal Display, Kent State University, USA, 1998.

К ближайшему аналогу можно отнести способ описанный в последнем из перечисленных источников материале Haijun Yuan, Kent State University. Аналог имеет следующие недостатки:
1. Малая эффективность преобразуемого оптического сигнала из-за необходимости выбора квазилинейного участка входно-выходной характеристики;
2. Низкая точность преобразования входного электрического сигнала в оптический сигнал.The closest analogue can be attributed to the method described in the last of the listed sources, material Haijun Yuan, Kent State University. The analogue has the following disadvantages:
1. The low efficiency of the converted optical signal due to the need to select a quasilinear portion of the input-output characteristics;
2. Low accuracy of the conversion of the input electrical signal into an optical signal.

Эти недостатки обусловлены способом непосредственного электрооптического модулирования световых потоков электрическим аналоговым коммутируемым видеосигналом (см. фиг. 8). These disadvantages are due to the direct electro-optical modulation of the light flux by an electric analogue switched video signal (see Fig. 8).

Целью предлагаемого изобретения является увеличение эффективности преобразования электрического цифрового видеосигнала в оптический аналоговый сигнал с большой точностью. The aim of the invention is to increase the conversion efficiency of the electric digital video signal into an optical analog signal with high accuracy.

Для достижения цели предлагаемый способ содержит: процесс ввода через призму параллельного светового потока S₀, образованного точечным лазерным источником излучения, в планарный оптический волновод под углом падения 74^o; процесс распространения светового потока по планарному волноводу посредством полных внутренних отражений, при этом полное внутреннее отражение светового потока на верхней поверхности планарного волновода обеспечивают образованием достаточной разницы между показателями преломления волновода и второй верхней подложки, а на нижних поверхностях планарного волновода идет процесс управления полными внутренними отражениями всего поступающего светового потока: если не подано напряжение на разрядные прозрачные электроды, соответствующее нулевому значению данного разряда входного сигнала, то выполняется процесс полного внутреннего отражения всего светового потока, или если подано напряжение на разрядные прозрачные электроды, соответствующие единичному значению входного сигнала данного разряда, то через слои жидкого кристалла вначале пропускается половина, затем четверть и т.д. светового потока согласно S₀2^-i, где i=1,2,...,n, n - число разрядов, которые поглощаются светопоглощающим слоем, а оставшаяся часть светового потока, падающая на стеклянные пластины, отражается полным внутренним отражением; и процесс вывода с конца планарного волновода, преобразованного (промодулированного) обратным кодом входного сигнала выходного светового потока S₁.To achieve the goal, the proposed method comprises: the process of entering through a prism of a parallel light flux S ₀ formed by a point laser radiation source into a planar optical waveguide at an incidence angle of 74 ^o ; the process of propagating the light flux through the planar waveguide by means of total internal reflections, while the total internal reflection of the light flux on the upper surface of the planar waveguide ensures the formation of a sufficient difference between the refractive indices of the waveguide and the second upper substrate, and the process of controlling total internal reflections of the entire surface is carried out on the lower surfaces of the planar waveguide incoming light flux: if voltage is not applied to the discharge transparent electrodes, corresponding If this value of the input signal is not equal to zero, then the process of total internal reflection of the entire light flux is performed, or if voltage is applied to the transparent discharge electrodes corresponding to a unit value of the input signal of this discharge, then half, then a quarter, etc., are passed through the layers of the liquid crystal . luminous flux according to S ₀ 2 ^-i , where i = 1,2, ..., n, n is the number of discharges that are absorbed by the light-absorbing layer, and the remaining part of the light flux incident on the glass plates is reflected by the total internal reflection; and the process of outputting from the end of the planar waveguide converted (modulated) by the inverse code of the input signal of the output light flux S ₁ .

Изложенная сущность поясняется вариантом реализации способа устройством, изображенным на чертежах, где:
на фиг. 1 изображен вариант устройства, содержащий: первую стеклянную подложку 1 с показателем преломления n₂, вторую стеклянную подложку 2 с показателем преломления n₂, призму 3 с показателем преломления n₁, планарный волновод 4 с показателем преломления n₁, причем n₁>n₂ прозрачные разрядные электроды на второй подложке 5, покрытые стеклянным слоем с показателем преломления n₂, прозрачные разрядные электроды на первой подложке 6, слои жидкого кристалла 7, стеклянные пластины 8 с показателем преломления n₂, светопоглощающий слой 9;
на фиг. 2 изображены соотношения площадей слоя жидкого кристалла и стеклянной пластины, которые зависят от номеров разряда входного сигнала а₁, a₂, а₃, а₄, a₅;
на фиг. 3 изображена схема формирования параллельного светового потока, содержащая полупроводниковый лазер 10 или галогенную лампу и параболическое или сферическое зеркало 11;
на фиг. 4 изображен вариант устройства преобразования цифрового электрического сигнала в оптический аналоговый сигнал в трех проекциях, где дополнительно изображены планарные стеклянные перегородки 12 в виде волновода с показателем преломления n₂;
на фиг. 5 изображен вид сверху и поперечное сечение варианта устройства без второй подложки, где 13 - контактные площадки прозрачных разрядных электродов на первой подложке;
на фиг. 6 изображен вид сверху и поперечное сечение первой подложки с прозрачными разрядными электродами 13;
на фиг. 7 изображен вид снизу и поперечное сечение второй подложки с прозрачными разрядными электродами 14;
на фиг. 8 изображена схема аналога-прототипа, где 15 - электронный цифро-аналоговый преобразователь, 16, 17, 18 - электронные ключи, 19, 20, 21 - электрооптический аналоговый модулятор света; на фиг. 8 обозначены:
X - входной сигнал в виде электрического двоичного кода,
Y - электрические управляющие сигналы,
R - исходный световой поток, R₁, R₂, R₃ - промодулированные световые потоки,
N - число выходов.The essence is illustrated by an embodiment of the method of the device shown in the drawings, where:
in FIG. 1 shows a device variant comprising: a first glass substrate 1 with a refractive index n ₂ , a second glass substrate 2 with a refractive index n ₂ , a prism 3 with a refractive index n ₁ , a planar waveguide 4 with a refractive index n ₁ , and n ₁ > n ₂ transparent discharge electrodes on the second substrate 5, coated with a glass layer with a refractive index n ₂ , transparent discharge electrodes on the first substrate 6, layers of a liquid crystal 7, glass plates 8 with a refractive index n ₂ , a light-absorbing layer 9;
in FIG. 2 shows the ratios of the areas of the liquid crystal layer and the glass plate, which depend on the discharge numbers of the input signal a ₁ , a ₂ , a ₃ , a ₄ , a ₅ ;
in FIG. 3 shows a parallel light flux forming circuit comprising a semiconductor laser 10 or a halogen lamp and a parabolic or spherical mirror 11;
in FIG. 4 shows an embodiment of a device for converting a digital electric signal into an optical analog signal in three projections, which additionally shows planar glass partitions 12 in the form of a waveguide with a refractive index of n ₂ ;
in FIG. 5 shows a top view and a cross section of a variant of the device without a second substrate, where 13 are the contact pads of the transparent discharge electrodes on the first substrate;
in FIG. 6 shows a top view and a cross section of a first substrate with transparent discharge electrodes 13;
in FIG. 7 shows a bottom view and a cross section of a second substrate with transparent discharge electrodes 14;
in FIG. 8 shows a diagram of an analogue prototype, where 15 is an electronic digital-to-analog converter, 16, 17, 18 are electronic keys, 19, 20, 21 are an electro-optical analog light modulator; in FIG. 8 are indicated:
X is an input signal in the form of an electric binary code,
Y - electrical control signals,
R is the initial light flux, R ₁ , R ₂ , R ₃ - modulated light flux,
N is the number of outputs.

Вариант устройства, реализующий предлагаемый способ, функционирует следующим образом. A variant of the device that implements the proposed method operates as follows.

Приблизительно параллельный световой поток заданной мощности S₀ вводят через призму 3 в планарный оптический волновод 4 под углом падения 74^o.An approximately parallel luminous flux of a given power S ₀ is introduced through a prism 3 into a planar optical waveguide 4 at an incidence angle of 74 ^o .

Введенный световой поток распространяется по планарному волноводу посредством полных внутренних отражений, для чего выбирают материал планарного волновода 4 с показателем преломления n₁, материалы первой и второй подложки 1, 2, стеклянных пластин 8 с показателем преломления n₂, разность n₁-n₂ которых обеспечивает условие полного внутреннего отражения света. Для устранения влияния электродов на отражение света их помещают вглубь подложки 2, покрыв стеклянным слоем с таким же показателем преломления n₂.The introduced luminous flux propagates along the planar waveguide by means of total internal reflections, for which the material of the planar waveguide 4 with a refractive index n ₁ , the materials of the first and second substrate 1, 2, glass plates 8 with a refractive index n ₂ , the difference n ₁ -n _{2 of} which provides a condition for total internal reflection of light. To eliminate the influence of the electrodes on the reflection of light, they are placed deep into the substrate 2, covered with a glass layer with the same refractive index n ₂ .

Преобразование входного электрического цифрового сигнала в оптический аналоговый сигнал осуществляется посредством последовательного гашения (отвода и ликвидации) светового потока по правилу S₀2^-i, где i=1,2,...,n, n - число разрядов, для чего каждый разряд, начиная со старшего разряда со стороны оптического входа, входного электрического двоичного сигнала a₁, a₂, a₃, a₄, a₅ в виде напряжения U, определяемого равенством

где U_m - амплитуда импульса напряжения, подают на прозрачные разрядные электроды 5, 6 так, чтобы образованное электрическое поле было перпендикулярно направлению распространения светового потока. Такое электрическое поле увеличивает показатель преломления слоя жидкого кристалла n_3,1 до выполнения условия n_3,1≥n₁, при котором световой поток, падающий на поверхность слоя жидкого кристалла 7, проходит через него и поглощается светопоглощающим слоем 9. Световой поток, падающий на поверхность стеклянной пластины 8 отражается полным внутренним отражением. Это соответствует единичному значению данного разряда входного сигнала a_i=1. В случае поступления нулевого сигнала a_i= 0, напряжение на электроды 5, 6 данного i-то разряда не подается и показатель преломления слоя жидкого кристалла n_3,0 будет оставаться низким, т. е. n_3,0=n₂, и весь световой поток отражается полным внутренним отражением.The conversion of the input electric digital signal into an optical analog signal is carried out by sequentially damping (removal and elimination) of the light flux according to the rule S ₀ 2 ^-i , where i = 1,2, ..., n, n is the number of digits, for which each digit starting from the high order from the side of the optical input, the input binary electric signal a ₁ , a ₂ , a ₃ , a ₄ , a ₅ in the form of voltage U defined by the equality

where U _m is the amplitude of the voltage pulse, fed to the transparent discharge electrodes 5, 6 so that the generated electric field was perpendicular to the direction of propagation of the light flux. Such an electric field increases the refractive index of the liquid crystal layer n _3.1 until the condition n _3.1 ≥n _{1 is} satisfied, in which the light flux incident on the surface of the liquid crystal layer 7 passes through it and is absorbed by the light-absorbing layer 9. The light flux incident on the surface of the glass plate 8 is reflected by the total internal reflection. This corresponds to the unit value of this bit of the input signal a _i = 1. In the case of a zero signal a _i = 0, voltage is not applied to the electrodes 5, 6 of this i-discharge and the refractive index of the liquid crystal layer n _3.0 will remain low, i.e., n _3.0 = n ₂ , and the entire luminous flux is reflected by total internal reflection.

Таким образом, световой поток S₁ на выходе планарного волновода имеет величину, уменьшенную на величину светового потока, соответствующую числу входного сигнала, от первоначальной величины светового потока S₀, поэтому для обеспечения прямой пропорциональности входной цифровой сигнал подают в обратном коде

и выходной сигнал будет определяться равенством:

Такой способ цифроаналогового преобразования обеспечивает большую эффективность с точностью 2^-n.Thus, the luminous flux S ₁ at the output of the planar waveguide has a value reduced by the luminous flux corresponding to the number of input signal from the initial luminous flux S ₀ , therefore, to ensure direct proportionality, the input digital signal is supplied in the reverse code

and the output signal will be determined by the equality:

This digital-to-analog conversion method provides greater efficiency with 2- ⁿ accuracy.

Работоспособность варианта устройства в реализации предлагаемого способа подтверждают результаты экспериментальных исследований. The efficiency of the device variant in the implementation of the proposed method is confirmed by the results of experimental studies.

Claims (1)

Способ увеличения эффективности оптоэлектронного цифроаналогового линейного преобразования сигналов, содержащий процесс ввода через призму параллельного светового потока S_о, образованного точечным лазерным источником излучения, в планарный оптический волновод под углом падения 74^o, отличающийся тем, что он содержит процесс распространения светового потока по планарному волноводу посредством полных внутренних отражений, при этом полное внутреннее отражение светового потока на верхней поверхности планарного волновода обеспечивают образованием достаточной разницы между показателями преломления волновода и второй верхней подложки, а на нижних поверхностях планарного волновода посредством изменения показателя преломления слоя жидкости кристалла выполняют процессы управляемых полных внутренних отражений поступающего светового потока: если не подано напряжение входного сигнала на прозрачные разрядные электроды, соответствующее нулевому значению, то весь световой поток полностью отражается полным внутренним отражением, или если подано напряжение на разрядные прозрачные электроды, соответствующее единичному значению входного сигнала, то через слои жидкого кристалла проходит вначале половина, затем четверть и т.д. светового потока согласно S_о2^-i, где i=1,2,. ..,n, n - число разрядов, которые поглощаются светопоглощающим слоем, а оставшаяся часть светового потока, падающая на стеклянные пластины, отражается полным внутренним отражением, и процесс вывода с конца планарного волновода преобразованного обратным кодом входного сигнала светового потока S₁.A method of increasing the efficiency of an optoelectronic digital-to-analog linear signal conversion, comprising the process of inputting through a prism of a parallel light flux S _о formed by a point laser radiation source into a planar optical waveguide at an incidence angle of 74 ^° , characterized in that it comprises a process of propagating light flux through a planar waveguide by total internal reflections, while the full internal reflection of the light flux on the upper surface of the planar waveguide provides the formation of a sufficient difference between the refractive indices of the waveguide and the second upper substrate, and on the lower surfaces of the planar waveguide, by controlling the refractive index of the crystal liquid layer, the processes of controlled total internal reflections of the incoming light flux are performed: if the input signal voltage is applied to the transparent discharge electrodes corresponding to a zero value , then the entire luminous flux is completely reflected by the total internal reflection, or if voltage is applied to the discharge If transparent electrodes correspond to a single value of the input signal, then half, then a quarter, etc., pass through the layers of the liquid crystal. luminous flux according to S _о 2 ^-i , where i = 1,2 ,. .., n, n is the number of discharges that are absorbed by the light-absorbing layer, and the remaining part of the light flux incident on the glass plates is reflected by the total internal reflection, and the output process from the end of the planar waveguide is converted by the inverse code of the input signal of the light flux S ₁ .

Images