Акустооптическая ячейка как элемент ввода радиосигналов в оптический сигнальный процесор

 

Динамический  диапазон - DD 1   АОПЧ по одному сигналу, ограничиваемый сверху допустимой погрешностью измерения амплитуды входного сигнала,  равной 0,5 дБ, составляет порядка 30 дБ. Амплитудная характеристика АОПЧ  U вых = ϕ(P вх) приведена на рис . В АОПЧ на её формирование основное влияние оказывает нелинейность АО взаимодействия в АОД: на частоте fо интенсивность света в первом порядке дифракции изменяется по закону

, а также нелинейность обратного  преобразования в ПЗС светового сигнала в электрический. Этот же односигнальный динамический диапазон, лимитируемый погрешностью измерения частоты, составляет 60 дБ; он фактически ограничивается допустимым уровнем входных сигналов, который может выдержать входной усилитель СВЧ блока.

Динамический  диапазон - DD 3, верхняя граница которого определяется мощностью P вх1 входного сигнала частоты f 1, при которой уровень мощности P вх 2 второго сигнала частоты f 2 подавляется уменьшается) на (1-2) дБ, составляет 40 дБ. При этом измерении значения f 1 и f 2попадали в полосу анализа, а значение мощности второго сигнала приходилось на линейную часть амплитудной характеристики АОПЧ. В соответствии с известным определением DD3 связан с эффектом сжатия, обусловленным генерацией мод взаимной модуляции второго порядка в нулевом порядке дифракции; для двух сигналов P вх1 и P вх 2, для каждого из которых эффективность равна V1 и V2, сжатие

вычисляется по формуле :

 

 

 

№ варианта заданий

Таблица №1

 

№	ПьезоПреобРазователь	СветоЗвукопровод	f0, МГц	, МГц
1	Ниобат лития  LiNbO3	TeO2   Парателлурит	50	20	1	90
2	Ниобат лития  LiNbO3	TeO2   Парателлурит	75	25	0.5	70
3	SiO2 кварц	TeO2   Парателлурит	100	30	2	20
4	BaTiO3 титонат бария	LiNbO3 Ниобат лития	200	60	1	20
5	PbMoO4 молибдат свинца	LiNbO3 Ниобат лития	300	120	0.5	30
6	ZnO  окись цинка	LiNbO3 Ниобат лития	500	90	1	10
7	Ниобат лития  LiNbO3	LiNbO3 Ниобат лития	1000	20	3	20
8	ZnO  окись цинка	SiO2 Кристал кварц	100	20	1	5
9	ZnO  окись цинка	SiO2 Кристал кварц	200	30	0.5	8
10	Ниобат лития  LiNbO3	SiO2 Кристал кварц	250	40	2	10
11	Ниобат лития  LiNbO3	GaP фосфид галлия	400	100	1	15
12	Ниобат лития  LiNbO3	GaP фосфид галлия	500	200	0.5	10
13	ZnO  окись цинка	GaP фосфид галлия	600	250	1	20
14	ZnO  окись цинка	GaP фосфид галлия	800	300	3	30
15	LiNbO3 Ниобат лития	LiNbO3 Ниобат лития	2500	500	1	5
16	LiNbO3 Ниобат лития	LiNbO3 Ниобат лития	1500	300	1	10
17	Ниобат лития  LiNbO3	TeO2   Парателлурит	50	20	1	90
18	Ниобат лития  LiNbO3	TeO2   Парателлурит	75	25	0.5	70
19	SiO2 кварц	TeO2   Парателлурит	100	30	2	20
20	BaTiO3  титонат бария	LiNbO3 Ниобат лития	200	60	1	20
21	LiNbO3 Ниобат лития	PbMoO4 молибдат свинца	300	120	0.5	30
22	ZnO  окись цинка	LiNbO3 Ниобат лития	500	90	1	10
23	Ниобат лития  LiNbO3	TeO2   Парателлурит	60	10	3	80
24	Ниобат лития  LiNbO3	TeO2   Парателлурит	70	20	0.5	70
25	SiO2 кварц	TeO2   Парателлурит	120	20	2	30
26	BaTiO3 титонат бария	LiNbO3 Ниобат лития	400	80	2	10
27	LiNbO3 Ниобат лития	PbMoO4 молибдат свинца	300	120	0.5	30

 

 

 

Материал  для пьезопреобразователя

 

Таблица №2

Материал Пьезопреобр.	Тип УЗВ(ультразвук. Волны)	Относительная Проницаем. Среды  εr	Плотность ρ, кГ/м3	Коэфф. Электромехан. связи, Кэл	Скорость Звука в среде,υак, М / С
Ниобат лития  LiNbO3	Продольный	27.5	4640	0.17	7330
BaTiO3 титонат бария	Продольный	1260	5700	0,384	5470
ZnO  окись цинка	Продольный	4,58	2650	0,098	5720
Сульфид кадмия	Продольный	εr / ε =9,5	5680	0,15	4460

 

 

 

Материал  для  светозвукопровода

Таблица №3

Материал Светоз вукпров.	Длина  волны  света ,λсв.,  мкм	Коэфф. Оптическ. Поглощ. α, Нп/м	Показатель Преломлен. Среды, n0	Плотность Среды, ρ, кГ/м3	Скорость Распростр Акустич. Волны , υак , м/c	Коэф Акустич Поглощ. αак, Дб/см (500Мгц)	Коэфф. Акустич. Качества   М2  10 -15, с3/кГ	Упругооп Тический Коэфф .p	Агрегатное Состояни среды
TeO2 Парателлурит	0,63	3	2,26	5720	650	50	800	0,18	тверд
SiO2 Плавл кварц	0,63	3,2	1,46	2200	5960	3	1,51	0,274	тверд
LiNbO3 ниоб лития	0,63	2	2,29	4700	6570	0,03	7	0,255	тверд
GaP фосфид галлия	0,63	2	3,31	4180	6300	2	45	0,161	тверд
PbMoO4 молибдат свинца	0,63	2	2,29	6950	3630	2,5	34	0,255	тверд

 

 

 

 

 

Пример расчета АОМ

 

Задача. Рассчитать одноканальный акустооптический модулятор в режиме дифракции Брэгга, при следующих значениях величин:

длина волны светового  пучка –  ;

центральная частота  –  ;

разрешающая способность – ;

полоса частот   

дифракционная эффективность  %

Материал пьезопреобразователя – плавленый кварц:

показатель преломления  –  ;

скорость распространения  акустической волны –  ;

Материал светозвукопровода  – стекло:

показатель преломления  –  ;

скорость распространения  акустической волны –  ;

коэффициент качества материала  –  .

Исходные данные взять  из табл.1 по варианту задания

Необходимо рассчитать:

1. геометрические размеры пьезопреобразователя (ПП) и светозвукопровода (СвЗвПр);
2. электрические параметры: входную мощность, и ;
3. функциональные параметры: ширину входного светового пучка,
4. оценить динамический диапазон АОМ

 

 

 

 

1. Рассчитаем  геометрические размеры пьезопреобразователя

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2. Геометрическое изображение  АОМ

Найдем длину волны ультразвукового  поля в светозвукопроводе:

,

где - скорость распространения акустической волны в СвЗвПр

Определим угол падения оптического  луча на модулятор:

По условию дифракции Брэгга, параметр дифракции на несущей частоте  , должен быть намного больше 1:

.

Отсюда находим  - длину пути оптического луча в ультразвуковом поле.:

.

Отсюда следует, что  получается очень маленькой (конструктивно трудно выполнимой).

 

Определим из заданного диапазона акустических частот, :

- показатель преломления вещества  СвЗвПр;

 

 

 

 

Найдем ширину оптического луча, взаимодействующего со звуковой волной, :

.

ПП представляет собой резонатор, поэтому выбираем толщину его, равную половине длины волны возбуждаемого  им ультразвукового поля:

                               .

Размеры СвЗвПр выбираем исходя из размеров ПП.

Длину СвЗвПр выбираем равную длине  ПП:

.

Ширина СвЗвПр должна быть больше чем ширина ПП, . Выбираем .

Высота СвЗвПр должна быть больше ширины входного светового пучка, .

Определим по заданному :

,

 

Тогда высоту СвЗвПр выбираем .

2. Электрические параметры

 

 

 

 

Рисунок 3. Эквивалентная схема ПП

На рис.3 представлена эквивалентная  схема ПП, где  , , . Находим проводимость ПП:

.

Тогда сопротивление ПП равно:

.

Входную мощность ПП можно найти по формуле:

,

где - коэффициент отражения.

.

Модуль сопротивления ПП равен:

Простейший вариант согласования заключается в компенсации реактивной составляющей параллельной индуктивностью

и трансформацией сопротивления  R  к Z_вх например используя четверть волновый трансформатор на длинной линии с волновым сопротивлением W  

При этом необходимо проверить, чтобы  электрическая полоса частот не обужала акустооптическую.

 

 

Акустическую мощность находим  из следующего выражения:

.

 

Основные параметры  и характеристики АОМ

Одним из важных параметров АОМ является динамический диапазон, определяющий диапазон входной мощности, при котором характеристики АОМ остаются неизменными.

,

где определяется чувствительностью фотодетектора, ;

 определяется через  .

 в свою очередь выбирается  на половине линейного участка  графика функции эффективности  дифракции,  :

,

где .

Рисунок 4. График зависимости эффективности дифракции от

По заданию - , при этом .

Находим :

Требуемую мощность управляющего ВЧ-сигнала, подводимую  к пьезопреобразователю ( с     учетом общих потерь [1]), , можно определить из следующего соотношения

 

        

 

Lg(P_{эл.треб}/Р_ак) = a ,

 

  где P_{эл. треб вх}– требуемая мощность управляющего ВЧ сигнала, поступающая на пьезопреобразователь от СВЧ тракта; Р_ак  - поток звуковой энергии в активной среде (звукопроводе), необходимый для отклонения потока световой энергии, a-общие потери в АОМ (дБ). Тогда:

 

                                                  P_{эл.треб вх}= P_ак 10^a ,                              (34)    

 

       Общие  потери потока звуковой энергии (a), в модуляторе, будут складываться из потерь в активной среде, потерь на границе преобразователь – активная среда и потерь в преобразователе, т.е.

 

a = a_ак + a_гр + a_n;

 

где a_ак – акустические потери в воде

       a_гр – акустические потери на границе преобразователя.

        a_n – акустические потери в преобразователе.

  (  Например,  акустические  потери в воде  составляют  a_ак =4,056 Нп/м ( 1Нп = 8,686 дБ , тогда a_ак =4,056  8,686= 35,230 дБ/м ).

  Акустические потери  в средней точке базы звукопровода  согласно [1] равены: (a_ак D)/2

  Акустические потери  на границе  преобразователь  – звукопровод найдем по формуле (35) [1]

 

где t_aк-  коэффициент пропускания границы  преобразователь – звукопровод.

                                                    

                                          

 

По формуле (35) найдем акустические потери на границе преобразователь – звукопровод для каждого из материалов преобразователя.

    Акустические  потери в пьезопреобразователе, с учетом толщены  пьезопластинки, найдем по формуле [1].

 

                         a_n = a d                                                                                               (36)

 

  По формуле (34) найдем требуемую мощность управляющего сигнала Р_{эл.треб}._{вх .}

 

 

где - потери в среде и на границе раздела сред ПП и СвЗвПр, для границы кварц – стекло.

Тогда:

.

Минимальное число разрешимых элементов  по частоте  задано.

Быстродействие АОМ определяется временем максимального и минимального взаимодействия :

,

.

 

 

 

 

 

Пример расчета АОАС

 

Задача .Рассчитать одноканальный акустооптический анализатор спектра (АОАС) в режиме дифракции Брэгга, при следующих значениях величин:

центральная частота –  ;

длина волны светового пучка  –  ;

ширина светового пучка –  ;

выходная мощность генератора –  ;

Материал пьезопреобразователя –  плавленый кварц:

показатель преломления –  ;

скорость распространения акустической волны –  ;

Материал светозвукопровода –  стекло:

показатель преломления –  ;

скорость распространения акустической волны –  ;

коэффициент качества материала –  .

Рисунок 1.

Функциональная схема АОАС

Рассмотрим принцип действия АОАС. На рис.1 представлена схема анализатора. Линзы и предназначены для увеличения ширины когерентного светового пучка до необходимого размера . При помощи акустооптического модулятора исследуемый радиосигнал Радиосигнал вводится в АОМ через пьезопреобразователь. Линза обеспечивает преобразование Фурье модулированного сигнала. Считывание и запоминание результата производиться при помощи ПЗС.

 Для анализа характеристик  АОАС необходимо рассчитать:

5. геометрические размеры пьезопреобразователя (ПП) и светозвукопровода (СвЗвПр);
6. электрические параметры: входную мощность, и ;
7. функциональные параметры: ширину входного светового пучка, и фокусное расстояние линзы, обеспечивающей Фурье преобразование, ;
8. основные параметры и характеристики АОАС: динамический диапазон , минимальное число разрешимых элементов по частоте , время максимального и минимального взаимодействия .