Спектроанализаторы аналоговых высокочастотнчх сигналов

Наиболее разработанными в настоящее время являются интегрально-оптические спектроанализаторы аналоговых высокочастотных сигналов (ОИС-спектроанализаторы). Схема ОИС-спектроанализатора приведена на рис. 5.1. В зависимости от вида взаимодействия световой волны с возмущением в волноводе различают акустооптические и электрооптические ОИС-спектроанализаторы электрических высокочастотных сигналов. Электрооптические ОИС-спектроанализаторы пока не получили широкого распространения из-за ограниченного динамического диапазона обрабатываемых сигналов.

Типичный ОИС-спектроанализатор состоит из следующих основных частей: входного преобразователя электрического сигнала в пространственно-модулированный оптический сигнал, оптической волноводной системы, выходного преобразователя оптического сигнала в электрический.

Входной преобразователь электрического сигнала в пространственно-модулированный оптический сигнал включает приемник входного электрического сигнала, смеситель и усилитель промежуточной частоты и встречно-штыревой преобразователь для возбуждения ПАВ. Оптическая волноводная система с помощью планарных волноводных линз формирует в волноводе параллельный пучок оптического излучения от внешнего состыкованного с волноводом полупроводникового лазера и осуществляет Фурье-преобразование пространственно-модулированного оптического сигнала. Выходной преобразователь оптического сигнала в электрический представляет собой линейку или матрицу фотоприемников.

ОИС-спектроанализатор может быть выполнен в виде гибридной ОИС на основе планарного волновода из ниобата лития либо аморфного диэлектрика (например, Та₂О₅) с изолирующим слоем SiO₂ на кремниевой подложке, состыкованной с полупроводниковым лазером и матрицей фотоприемников.

Основными характеристиками ОИС-спектроанализатора являются разрешение по частоте δf, ширина полосы частот Δf и центральная частота f₀ высокочастотного сигнала, относительная ширина спектра излучения δλ/λ полупроводникового лазера, тесно взаимосвязанные с оптическими и геометрическими параметрами ОИС: апертурой D, фокусным расстоянием планарной линзы F, линейным размером s элементарного фотоприемника в матрице. Линейный размер фотоприемника s должен быть не меньше дифракционного изображения волноводного пучка в фокальной плоскости линзы, осуществляющей его Фурье-преобразование, и не должен превышать линейного смещения фокального пятна, соответствующего минимальному разрешению по частоте δf:

,

где v_a - скорость ПАВ; р - числовой множитель (обычно р≈1,4). Для обеспечения максимальной дифракционной эффективности оптического излучения в волноводе, теоретически равной в режиме брэгговской дифракции 100%, апертура встречно-штыревого преобразователя ПАВ L должна быть

,

где n* - эффективный показатель преломления, Λ - длина ПАВ. Угловая расходимость Δθ входного волноводного пучка в планарном волноводе, падающего на фазовую дифракционную решетку, индуцированную ПАВ, не должна превышать дифракционной расходимости пучка в волноводе:

. (5.1)

Это условие выполнить довольно трудно (типичное значение Δθ согласно (5.1) составляет 0,05 мрад). Однако на практике более существенное ограничение на разрешение по частоте δf накладывает минимальный размер фотоприемника s. Поэтому условие (5.1) может быть сведено к более простому: Δθ <s/F, что несложно выполнить на практике (при s=12 мкм и F= 21 мм Δθ <0,44 мрад). При этом относительная ширина спектра излучения полупроводникового лазера δλ/λ не должна превышать относительного разрешения δf /f₀.