Патент на изобретение №2200970

(54) ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР

(57) Реферат:

Изобретение может быть использовано в качестве многоканального анализатора спектра для оптических или СВЧ частот для демультиплексирования или мультиплексирования пучка излучения и для управления длиной волны перестраиваемого лазера, расположенного на том же кристалле интегральной схемы. Устройство для пространственного разделения частотных компонент в исходном пучке излучения, содержащее средство 40 разделения исходного пучка излучения на множество вторичных пучков излучения, решетку электрооптических волноводов 41, при этом каждый волновод имеет линию 43 оптической задержки с соответствующим временем оптической задержки, средство 42 приложения изменяемого электрического поля к каждому из световодов таким образом, что путем изменения электрического поля может быть осуществлено изменение фазы вторичных пучков 45 излучения, переданных по каждому из них. Устройство может также содержать средство ВЧ модуляции исходного пучка излучения, волноводы из арсенида галлия (GaAs), имеющие возможность изменения электрооптических характеристик под действием электрического поля. 2 с. и 18 з.п.ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к электрически перестраиваемому оптическому фильтру, который может быть, в частности, использован для пространственного разделения частотных компонент во входном пучке излучения СВЧ или оптической частоты. В частности, устройство может быть использовано в качестве многоканального анализатора спектра или в качестве мультиплексора и демультиплексора с разделением по длинам волн.

Существует два подхода к созданию анализатора спектра. В одном случае анализируемый входной сигнал может пропускаться через перестраиваемый фильтр, который сканирует в заданном диапазоне частот. Затем измеряется зависимость коэффициента пропускания от частоты пропускания фильтра для получения спектра. Такие системы известны как сканирующие анализаторы спектра. В альтернативном варианте входной сигнал может быть разделен на несколько идентичных сигналов меньшей мощности, каждый из которых затем пропускают через отдельный фильтр из набора равноотстоящих по частоте фильтров. Мощности на выходе набора фильтров дают искомый спектр. Такие системы известны как многоканальные (несканирующие) анализаторы спектра.

Обычные анализаторы ВЧ спектра, используемые в лабораторных условиях, являются сканирующими анализаторами спектра. Это обусловлено тем, что сканирующий анализатор спектра может обеспечивать охват широкого диапазона частот с высокой разрешающей способностью, и при необходимости может быть легко осуществлено изменение его конфигурации. Однако сканирующий анализатор спектра пригоден для измерения только тех входных сигналов, которые не имеют быстрых изменений, поскольку может быть осуществлен одновременный “просмотр” только одной частоты. Например, если входные сигналы содержат короткие импульсы, то анализатор спектра со сканированием может легко пропустить импульсы некоторых частот, если в момент прихода импульса он не осуществляет просмотр нужной частоты.

Эта проблема преодолена в многоканальном анализаторе спектра. Однако изготовить его сложнее, чем сканирующий анализатор спектра, в особенности если количество частотных каналов велико. Поскольку делители являются узкополосными устройствами, разделение широкополосного электрического ВЧ сигнала на части без серьезных искажений является, во многих отношениях, сложной задачей. К тому же фильтры ВЧ должны осуществлять временную задержку сигнала, пропорциональную обратной величине ширины полосы частот фильтра, а это приводит к тому, что подобные устройства имеют очень большие размеры, и при использовании обычной технологии их сложно изготовить для обеспечения достаточно низких потерь и разрешающей способности менее приблизительно 100 МГц.

Для создания как сканирующих, так и многоканальных несканирующих анализаторов спектра могут быть использованы оптические способы. Примером сканирующего анализатора оптического спектра является сканирующий интерферометр Фабри-Перо, который содержит две параллельные (или конфокальные) пластины, которые перемещают ближе и дальше относительно друг друга (обычно посредством использования пилообразного управляющего напряжения). Оптический спектр получают из графика зависимости интенсивности выходного оптического сигнала от времени (см. “Introduction to optical electronics”, A. Yariv (Holt Reinhart and Winston, 1976)).

Примером многоканального анализатора оптического спектра является спектрометр с дифракционной решеткой. Его действие заключается в разделении входного пучка на много сотен пучков, изменении фазы каждого пучка на величину, которая линейно зависит от его положения (с использованием решетки), и обратном объединении всех пучков, имеющих сдвиг фазы, на выходной детекторной матрице. Из-за сдвигов фаз различные оптические частоты синфазно объединяются в различных местах детекторной матрицы.

Другим типом многоканального анализатора оптического спектра является акустооптическое устройство, в котором анализируемый сигнал используют для запуска акустооптического преобразователя, который возбуждает акустическую волну в прозрачном пьезоэлектрическом и электрооптическом материале (например, в ниобате лития). В подобных материалах акустические волны могут вызывать колебания показателя преломления, отклоняющие проходящий световой пучок на величину, которая прямо пропорциональна частоте ВЧ сигнала. Анализатор спектра такого типа фактически может обеспечивать очень высокую разрешающую способность, главным образом потому, что акустические волны распространяются намного медленнее электромагнитных волн, что позволяет достичь более длительных задержек в устройствах небольшого размера. Однако из-за акустических потерь они обычно ограничены частотами ниже нескольких ГГц.

Были продемонстрированы различные варианты световодных оптических спектрометров с низкой разрешающей способностью, которые обычно применяют для объединения (мультиплексирования) или разделения (демультиплексирования) нескольких различных длин волн в одном световоде. Однако они являются не активными устройствами, а пассивными устройствами, которые изготавливаются способом точной литографии и предназначены для управления сдвигами фазы оптического сигнала. Однако неизбежно наличие неточностей литографии, что ограничивает разрешающую способность, которая может быть достигнута посредством таких систем.

Патент Великобритании UK 2269678 А относится к области техники, соответствующей настоящему изобретению. В нем описан интерференционный перестраиваемый фильтр, сформированный на полупроводниковой подложке, на которой волновод разделен на множество ответвлений равной длины. Каждое ответвление имеет электрически управляемые устройства управления амплитудой и фазой для модуляции амплитуды и фазы света, прошедшего через ответвление. Фильтр имеет функцию выбора светового сигнала с заранее заданной длиной волны из множества мультиплексированных световых сигналов. Свет, прошедший через каждое из ответвлений, снова объединяется для получения одного выходного сигнала. Следовательно, описанное в патенте Великобритании UK 2269678 А устройство имеет недостаток, состоящий в том, что на выход устройства выдается только одна длина волны, а остальные теряются в подложке. Поэтому устройство непригодно для использования в качестве анализатора спектра или для таких применений, в которых необходимо получать множество выходных сигналов с различной длиной волны.

Согласно настоящему изобретению устройство для приема исходного пучка излучения и для пространственного разделения частотных компонент в исходном пучке излучения содержит
средство для разделения исходного пучка излучения на множество вторичных пучков излучения, при этом каждый из вторичных пучков излучения имеет соответствующую фазу _i.

множество волноводов, имеющих возможность смещения под действием электрического поля, которые образуют решетку волноводов, каждый из которых предназначен для передачи вторичного пучка излучения на выход, каждый волновод имеет связанную с ним линию оптической задержки, имеющую соответствующее время оптической задержки, причем каждое из времен оптической задержки является различным,
средство для приложения изменяемого электрического поля к каждому из волноводов таким образом, что фаза _i каждого из вторичных пучков излучения, передаваемых через соответствующие волноводы, может быть изменена путем изменения электрического поля, при этом указанные волноводы размещены так, что вторичные пучки излучения с выхода каждого из волноводов интерферируют с вторичным пучком излучения с выхода, по меньшей мере, одного из остальных волноводов, так, что формируется интерференционная картина, в области распространения указанная интерференционная картина содержит один или более максимумов в различных положениях в области распространения, и таким образом, что
устройство имеет, по меньшей мере, два выхода и отличается тем, что дополнительно содержит средство для осуществления ВЧ модуляции исходного пучка излучения.

В предпочтительном варианте устройство может формировать многоканальный анализатор спектра для анализа исходного пучка СВЧ излучения.

Устройство также может содержать средство осуществления ВЧ модуляции исходного пучка излучения. Поэтому устройство может быть использовано в качестве многоканального несканирующего анализатора оптического спектра или анализатора ВЧ спектра и имеет преимущество по сравнению со сканирующим анализатором спектра, в котором сигналы некоторых частот могут быть пропущены, если в момент прихода импульса излучения устройство не осуществляет сканирование на надлежащей частоте. Кроме того, устройство может быть использовано для анализа как оптических частот, так и для СВЧ диапазона посредством использования средства ВЧ модуляции, а при его работе может быть реализовано активное управление посредством изменения электрических полей, прикладываемых к одному или более волноводам, имеющим возможность смещения под действием электрического поля. Поскольку фаза излучения, передаваемого по каждому из волноводов, может быть изменена, то, следовательно, любые неточности конструкции могут быть скорректированы при работе путем изменения приложенных электрических полей. Это создает преимущество по сравнению с пассивными устройствами, которые используют для мультиплексирования и демультиплексирования пучков.

В предпочтительном варианте осуществления каждая соседняя пара выходов волноводов пространственно разнесена на величину, пропорциональную разности времен оптической задержки между соответствующей соседней парой волноводов. Это имеет преимущество, заключающееся в том, что различные максимумы интенсивности, соответствующие различным оптическим частотам, возникают в области распространения под вполне определенными углами, а разность углов между максимумами для двух различных частотных компонент, по существу, пропорциональна разности частот между этими двумя частотными компонентами.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления волноводы могут иметь, по существу, линейное изменение времени оптической задержки по решетке волноводов.

Разность между временами оптической задержки по решетке волноводов, как правило, равна, по меньшей мере, 100 пикосекундам и может быть равна, по меньшей мере, 10 наносекундам.

Область распространения может представлять собой область свободного пространства или же может представлять собой пластинчатый волновод. Пластинчатый волновод может быть использован для обеспечения преимущества, заключающегося в том, что он удерживает вторичные пучки излучения, например, в кристалле интегральной схемы.

Волноводы, имеющие возможность смещения под действием электрического поля, могут представлять собой волноводы из полупроводников III-V групп. Например, могут быть использованы волноводы из арсенида галлия (GaAs) или из InP/InGaAsP.

Волноводы, имеющие возможность смещения под действием электрического поля, могут быть выполнены заодно с линиями оптической задержки, и устройство может быть выполнено в виде однокристальной интегральной схемы. В альтернативном варианте каждый из волноводов, имеющий возможность смещения под действием электрического поля, может включать в себя волновод, имеющий возможность смещения под действием электрического поля, и волоконно-оптическую линию задержки.

Средство для разделения исходного пучка излучения на множество вторичных пучков излучения может представлять собой многомодовый интерференционный делитель.

Каждый из волноводов, имеющий возможность смещения под действием электрического поля, может содержать независимое средство изменения электрического поля в части волновода, имеющего возможность смещения под действием электрического поля. Например, каждый такой волновод может иметь независимый источник регулируемого напряжения.

Устройство может также включать в себя два или более выходных волноводов, расположенных в пределах области распространения так, что каждый из выходных волноводов может осуществлять прием вторичного пучка излучения выбранной частоты с выхода одного или более волноводов.

В соответствии с другим аспектом изобретения, предложен способ пространственного разделения частотных компонент в исходном пучке излучения, включающий следующие этапы:
(I) приложение ВЧ модуляции к исходному пучку излучения,
(II) исходный пучок излучения разделяют на множество вторичных пучков излучения, каждый из которых имеет фазу, _i
(III) осуществляют передачу каждого из вторичных пучков излучения через один из множества волноводов, имеющих возможность смещения под действием электрического поля и образующих решетку волноводов, причем каждый волновод имеет связанную с ним линию оптической задержки, имеющую соответствующее время оптической задержки, причем каждое из времен оптической задержки иное,
(IV) к каждому из волноводов прикладывают изменяемое электрическое поле и
(V) электрическое поле, приложенное к каждому из волноводов, изменяют таким образом, чтобы можно было изменять фазу, _i вторичных пучков излучения, проходящих через каждый из волноводов,
(VI) осуществляют вывод вторичных пучков излучения в область распространения, в пределах которой они могут интерферировать с одним или более из остальных вторичных пучков излучения для формирования интерференционной картины, содержащей один или более максимумов, расположенных в различных местах.

Способ может дополнительно включать этап
(VII) принятия решения о частотных компонентах в исходном входном пучке по месту расположения одного или каждого максимума в области распространения.

Изобретение поясняется ниже на примере осуществления со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее:
на фиг. 1 изображен схематичный вид в перспективе известного электрооптического волноводного устройства,
на фиг.2 показана схема устройства, соответствующего изобретению,
на фиг.3 показан чертеж фотошаблона устройства в виде решетки волноводов из арсенида галлия (GaAs) однокристальной интегральной схемы волноводов с переменной оптической задержкой по решетке световодов,
на фиг.4а показана полученная при помощи инфракрасной камеры фотография дифракционной картины поля в дальней зоне от электрооптического волноводного устройства, показанного на фиг.3, для входного лазерного луча без какой-либо модуляции на входе,
на фиг. 4б и фиг.4в показаны полученные при помощи инфракрасной камеры фотографии дифракционной картины поля в дальней зоне от электрооптического волноводного устройства, показанного на фиг.3, для входного лазерного луча с ВЧ модуляцией,
на фиг.5 показаны строки развертки дифракционной картины поля в дальней зоне для входного лазерного луча без модуляции на входе, демонстрирующие эффект изменения длины волны входного лазерного излучения,
на фиг.6 показаны строки развертки картины интенсивности поля в дальней зоне с равным нулю немодулированным входным пучком при наличии боковых полос модуляции для трех различных частот,
на фиг.7 показаны приведенные на фиг.6 строки развертки, изображенные в увеличенном масштабе, для устранения влияния дифракции боковых полос.

На фиг. 1 показана часть электрооптического волноводного устройства, которое может быть использовано в изобретении. Электрооптическое световодное устройство и его функционирование описаны в патенте США 5239598. Устройство, в целом обозначенное ссылочной позицией 1, содержит сильнолегированную подложку 2 n-типа (n+) из арсенида галлия (GaAs), которая обычно имеет концентрацию легирующей примеси 110¹⁸ см^-3. На этот слой 2 наносят слой 3 покрытия из n+Ga_xAl_1-xAs с легирующей примесью такого же типа и с такой же концентрацией.

Сверху слоя 3 покрытия находится слой 4 сердцевины световода. Этот слой 4 состоит из n^– (нелегированного, n-типа с остаточными примесями) арсенида галлия (GaAS). Можно считать, что все слои относятся к системе Ga_xAl_1-xAs. Слой 4 имеет канавки 5, которые выходят на его верхнюю поверхность 6 и проходят от передней поверхности устройства 1 почти до параллельной задней поверхности (не показана), имеющей горизонтальную и вертикальную кромки (соответственно 7 и 8), но не доходят до нее. Между канавками 5 находятся ребристые волноводы 9. Волноводы 9 обычно имеют ширину 2,6 мкм и длину 3 мм. На фиг. 1 изображены два волновода 9 (три канавки 5), хотя на практике в устройство будет включено намного большее количество световодов.

Каждый из волноводов 9 покрыт слоем 10 алюминия, а контактная площадка 11 соединена с источником 12 постоянного напряжения смещения. Следовательно, каждый волновод 9 имеет отдельную адресацию. Для создания поверхностей с оптическим качеством осуществляют аккуратный скол передней поверхности 13 и задней поверхности 7/8 устройства 1.

При работе может быть осуществлена подсветка устройства 1 излучением 20, которое фокусируется в малое пятно (диаметром приблизительно 2 мкм) в области волноводного слоя 4 на задней поверхности 7/8. Как правило, она находится на расстоянии 500 мкм от концов волноводов. Затем свет от пятна распространяется по волноводам 9. Лучи света, выходящие из волноводов 9 обозначены расходящимися стрелками, например, 21. Как показано в нижней части фиг. 1, выходящие световые пучки 21 смешиваются и образуют общую дифракционную картину поля в дальней зоне, имеющую центральный максимум 22 интенсивности в точке 24 и два или более дополнительных максимума 23.

Каждый волновод 9 может поддерживать горизонтальные и вертикальные моды распространения света. Волноводы 9 вырабатывают выходную интенсивность света, которая, по существу, заключена в горизонтальных и в вертикальных модах самого низкого порядка, а вывод горизонтальных и вертикальных мод более высокого порядка подавляется. В результате волноводы 9 в совокупности создают дифракционную картину поля в дальней зоне, которая формируется, по существу, пространственными модами самого низкого порядка. Дополнительная информация о поведении света, проходящего через устройство, может быть получена из описания к патенту США 5239598.

Показатель преломления и длина оптического пути в каждом волноводе 9 зависят от электрического поля, создаваемого посредством источника 12 напряжения, так как материал слоя 4 сердцевины волновода имеет электрооптические (то есть электропреломляющие) свойства. Следовательно, изменение напряжения на слое 10 алюминия любого волновода 9 изменяет фазу его светового выходного сигнала. Дифракционная картина поля в дальней зоне представляет собой векторную сумму фазовых и амплитудных составляющих из волноводов 9, а положение главного максимума 24 может быть изменено путем изменения напряжений на волноводах. Следовательно, путем управления напряжениями, приложенными к электродам каждого из волноводов, может быть электронным образом осуществлено формирование и сканирование, или фокусировка пучка в дифракционной картине поля в дальней зоне. Дифракционная картина поля в дальней зоне, созданная устройством 1, является полностью сформированной на расстоянии менее 0,5 мм в воздухе или менее 1,8 мм в среде арсенида галлия (GaAs). Управление пучком вплоть до 20^o может быть достигнуто при напряжениях на волноводе порядка 20 В.

В настоящем изобретении предложено устройство для пространственного разделения компонент с различной частотой, содержащихся во входном пучке излучения, которое включает в себя совокупность электрооптических световодов, причем каждый волновод имеет связанную с ним линию оптической задержки, имеющую различную оптическую задержку. Как правило, электрооптические волноводы имеют изображенную на фиг.1 конструкцию решетки электрооптических волноводов, которая имеет дополнительный верхний слой покрытия из n^– Ga_xAl_1-xAs (110¹⁵ см^-3) для снижения оптических потерь путем отведения света от металла электрода. В обычном устройстве, показанном на фиг.1, управление пучком в дальней зоне можно осуществлять путем изменения напряжений, приложенных к каждому отдельному волноводу. Следовательно, управление дифракционной картиной поля в дальней зоне может быть осуществлено посредством электронных средств. В настоящем изобретении вследствие того, что каждый волновод имеет задержки различной длительности, может быть осуществлено управление дифракционной картиной поля в дальней зоне по частоте, а также управление с помощью электронных средств. Поэтому, если линии задержки имеют малую длину, например 500 мкм, то устройство может быть использовано в качестве анализатора оптического спектра, а если линии задержки имеют большую длину, например 10 см, то устройство может быть использовано в качестве анализатора СВЧ спектра.

На фиг.2 показана схема одного из вариантов осуществления устройства 30 согласно настоящему изобретению. Устройство содержит устройство 31 разделения на n каналов и n оптических фазовращателей 32. Оптические фазовращатели 32 могут представлять собой, например, электрооптическое световодное устройство 1, показанное на фиг.1. Устройство 30 также содержит решетку из n линий 33 оптической задержки, имеющих линейно изменяющуюся по решетке световодов длину задержки, и выходную линейную фазированную решетку 34. Выходной спектр устройства 30 может наблюдаться телевизионной камерой или многоканальной линейной решеткой 37 детекторов для записи, обработки, визуального воспроизведения или сохранения выходного спектра. Исследуемый пучок 35 излучения может быть непосредственно введен в устройство 30. В альтернативном варианте может быть осуществлена модуляция пучка 35 посредством электрооптического модулятора 36 интенсивности. Болееподробное описание функции электрооптического модулятора 36 интенсивности будет приведено ниже.

В одном из вариантов осуществления изобретения устройство 30, схема которого изображена на фиг. 2, может быть сформировано на одном кристалле интегральной схемы. В качестве примера однокристального устройства ниже приведено описание однокристального устройства из арсенида галлия (GaAs), состоящего из 16-ти световодов.

На фиг. 3 показан чертеж фотошаблона однокристального 16-канального электрооптического световодного устройства из арсенида галлия (GaAs). Устройство 30 содержит входной световод 39, в который вводится пучок 35, и многомодовый интерференционный делитель 40, имеющий от 1-го до 16-ти каналов, для разделения входного пучка 35 на n различных выходных пучков. Например, может использоваться многомодовый интерференционный делитель, описанный в патенте США 5410625. Устройство 30 также содержит 16 электрооптических волноводов 41 для управления фазой оптического излучения, причем каждый электрооптический волновод 41 имеет электрод 42 для приложения электрического поля к каждому волноводу 41. Это позволяет осуществить индивидуальную адресацию каждого волновода 41.

С каждым электрооптическим волноводом 41 связана линия 43 оптической задержки, каждая из которых имеет различную длину. В предпочтительном варианте длина задержки изменяется, по существу, линейно по решетке электрооптических волноводов. На выходе линий 43 задержки в непосредственной близости находится выходная решетка волноводов 44. Выходная решетка волноводов показана на чертеже как совокупность горизонтальных черных линий 44, выходная позиция 46 каждого из них взаимосвязана с соответствующей линией 43 задержки.

При практическом осуществлении и для обеспечения простоты конструкции каждый электрооптический волновод 41, связанная с ним линия 43 задержки и связанный с ним выходной волновод 44 могут быть сформированы в виде одного волновода, так что устройство представляет собой решетку электрооптических волноводов различной длины (то есть с различной задержкой). Решетка электрооптических волноводов, каждый из которых имеет различную оптическую длину пути, может быть определена как решетка электрооптических волноводных линий задержки. Также возможно создать такое устройство, что элементы 41, 43 и 44 на однокристальной интегральной схеме будут отделены один от другого. Электрооптические волноводы 41 обычно имеют вид устройства, показанного на фиг.1, и представлены на чертеже в виде горизонтальных черных линий, выходящих из оптического делителя 40.

В процессе работы непрерывное излучение 35 от входного лазера (не показан) может быть введено в устройство 30 через многомодовый интерференционный делитель 40, где входной пучок разделяется на 16 каналов. Каждый из 16 разделенных сигналов проходит через один из электрооптических волноводов 41 (или фазовращателей) в связанную с ним линию 43 задержки, а затем в выходные волноводы 44, которые образуют выходную решетку волноводов. Таким образом, набор из 16 выходных пучков 45 выводится из выходных волноводов 44 в позициях 46 в область, в которой происходит их интерференция, и которая определяется как область распространения. Как правило, область распространения может представлять собой пластинчатый волновод (не показан), такой, что выходящие пучки 45 удерживаются в кристалле интегральной схемы, но распространяются как в свободном пространстве. В альтернативном варианте область распространения может представлять собой область свободного пространства.

Выходящие пучки 45 из каждого из выходных волноводов 44, выведенные в позициях 46, интерферируют в области распространения с большинством или со всеми выходящими пучками 45 от остальных выходных волноводов 44 таким образом, что различные частотные компоненты образуют максимумы интенсивности в различных местах в пределах области распространения. Интерферограмму или дифракционную картину поля в дальней зоне, находящуюся обычно на расстоянии нескольких миллиметров или около того, можно затем наблюдать с использованием камеры, чувствительной к конкретной длине волны света.

Выходные волноводы 44 расположены близко друг от друга, обычно на расстоянии менее 100 мкм, а в предпочтительном варианте расположены еще более близко, например, с интервалом 5-20 мкм между соседними позициями 46 вывода. Позиции 46 вывода каждого выходного волновода 44 упорядочены таким образом, что они находятся, по существу, на прямой линии L. В предпочтительном варианте выходные волноводы 44 расположены таким образом, что шаг между центрами любых двух соседних позиций 46 вывода прямо пропорционален разности между временем оптической задержки в этих двух соседних выходных волноводах. Это гарантирует то, что максимумы интенсивности, соответствующие различным оптическим частотам, будут появляться в области распространения под вполне определенными углами, и что разность углов между максимумами для двух оптических пучков с различной частотой будет прямо пропорциональна разности частот между этими двумя пучками.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления позиции 46 вывода разнесены на одинаковое расстояние одна от другой и, соответственно, имеют также одинаковые соответствующие разности времени оптической задержки между каждой парой соседних волноводных линий задержки, при этом линии оптической задержки 43 имеют, по существу, линейное изменение длины задержки по решетке волноводов. Как правило, это соответствует диапазону изменений времени задержки от 0 до 1 наносекунды (то есть относительная задержка n-го волновода равна n/16 наносекунды, где n изменяется от 1 до 16). В этом варианте осуществления устройство 30 может быть использовано в качестве 16-канального анализатора спектра, имеющего интервал между каналами 1 ГГц. При разности времени оптической задержки между соседними линиями задержки порядка 100 пс (пикосекунд) свободный спектральный диапазон (то есть максимальный рабочий диапазон частот) равен 10 ГГц, а разрешающая способность равна 10 ГГц/N, где N – количество линий задержки. Следовательно, разность между максимальной и минимальной длинами линий задержки определяет разрешающую способность по частоте, которая может быть достигнута в устройстве.

Приведенные результаты были получены для устройства в виде кристалла интегральной схемы из арсенида галлия (GaAs), показанного на фиг.3, и входного пучка лазера на алюмоиттриевом гранате с неодимом (Nd:YAG) с диодной накачкой, имеющего длину волны 1,064 мкм. Если напряжения, приложенные к электрооптическим волноводам 41, в исходном состоянии установлены такими, что все 16 выходящих пучков 45 имеют одинаковую фазу, то это приводит к появлению в дифракционной картине поля в дальней зоне одного главного лепестка и двух боковых лепестков (вследствие периодичности распределения интенсивности на выходе). Это изображено на фиг.4а, на которой показан один главный лепесток 47а и два боковых лепестка 47б. Затем путем линейного изменения фазы этих 16 выходящих пучков по решетке световодов может быть осуществлено сканирование главного лепестка 47а и боковых лепестков 47б.

Например, если фаза изменяется ступенчато (относительно начального состояния с одинаковой фазой) на 360^o/16 (то есть на 22,5^o) по решетке волноводов, то положение лепестка изменяется на 1/16 расстояния от главного лепестка до первого бокового лепестка. В более общем случае, если фаза изменяется ступенчато на n22,5^o, то положение лепестка будет изменяться на n/16-ю часть расстояния от главного лепестка до первого бокового лепестка до тех пор, пока при n=16 не будет снова получено исходное изображение, поскольку выходные пучки решетки световодов снова будут синфазными (как и в исходном состоянии).

Значения фаз фактически всегда могут быть установлены в диапазоне от 0^o до 360^o путем соответствующего выбора напряжений, приложенных к электроду каждого волновода. Эффект использования дополнительных линий задержки вместо волноводов равной длины состоит в том, что управление пучком также может быть осуществлено при изменении длины волны или частоты входного оптического излучения. Это не может быть осуществлено посредством обычного электрооптического волновода, но может быть выполнено в настоящем устройстве, поскольку при изменении длины волны входного излучения фазы на выходе изменяются линейно по решетке волноводов таким же самым образом, как и при электронном сканировании главного пучка. Например, для устройства с набором волноводных линий задержки, время задержки которых линейно изменяется от 0 до 1 наносекунды, изменение частоты входных пучков оптического излучения на 1 ГГц приводит к изменению положения лепестка на 1/16 расстояния от главного лепестка до первого бокового лепестка, поскольку изменение частоты оптического излучения на 1 ГГц в точности соответствует изменению на один период за одну наносекунду, или сдвигу фазы на 360^o в линии задержки с временем задержки 1 нс.

Задержка в n-м волноводе приводит к соответствующему сдвигу фазы n22,5^o, что представляет собой требуемый набор фаз для управления лепестком через 1/16 расстояния от главного лепестка до первого бокового лепестка. Таким образом, устройство обеспечивает частотно-зависимое сканирование лепестка, которое имеет много преимуществ по сравнению с электронным сканированием. Кроме того, совместная реализация двух типов сканирования приводит к дополнительным преимуществам, Несмотря на то, что описанное устройство является 16-канальным устройством, фактически может быть использовано меньшее или большее количество каналов.

Наиболее целесообразной областью применения устройства является его использование в качестве многоканального анализатора спектра. Устройство может быть использовано в качестве анализатора оптического спектра или анализатора ВЧ спектра. Как показано на фиг.2, для осуществления анализа ВЧ спектра анализируемый входной пучок 20 излучения перед его вводом в устройство 30 пропускают через электрооптический частотный модулятор 36. В модулятор 36 подают СВЧ сигнал 50, который таким образом добавляет к входному колебанию 20 частотные составляющие, которые посредством фазированной решетки на линиях задержки 41/43 отклоняются на различные углы (пропорциональные частоте модуляции).

Во избежание добавления высших гармоник и для обеспечения возможности удаления частоты входного пучка из дифракционной картины поля в дальней зоне существенным является использование балансного электрооптического модулятора 36. Для получения изображения только боковых полос модуляции может быть осуществлено подавление входного пучка посредством установления модулятора интенсивности в нулевое состояние. Это показано в спектрах, изображенных на фиг.4б и фиг.4в, в которых из спектров удалена частота входного пучка.

На фиг.5 показана интенсивность для выходной решетки волноводов в зависимости от расстояния по дифракционной картине поля в дальней зоне для входного лазера при трех различных частотах (кривые 48, 49, 50). Иллюстрируется дополнительный эффект от совместного использования линий задержки и электрооптических волноводов. То есть управление пучком может быть осуществлено при изменении длины волны или частоты входного оптического излучения, а также при изменении напряжения, приложенного к волноводам.

На фиг.6 показано распределение интенсивности по строке для дифракционной картины поля в дальней зоне для трех различных ВЧ частот: 2, 3 и 5 ГГц, (соответственно кривые 51, 52, 53) при установке модулятора интенсивности 36 в нулевое состояние. Пучок несущей частоты подавлен, а в строке развертки присутствуют только боковые полосы модуляции. На фиг.7 показаны приведенные на фиг. 6 распределения интенсивности по строке, изображенные в увеличенном масштабе (в произвольных единицах), а также показано распределение интенсивности по строке для сигнала без модуляции (максимум 54). Если для модуляции входного пучка используют несколько различных частот, то все они будут одновременно наблюдаться в дифракционной картине. Следовательно, устройство не осуществляет сканирование по диапазону частот, как это происходит в обычном сканирующем анализаторе спектра.

Без оптического модулятора 36 по фиг.2 устройство работает, по существу, как электрически перестраиваемый оптический спектрометр. Оно может обеспечивать сколь угодно высокую оптическую разрешающую способность, превышающую ту, которая может быть достигнута при использовании обычных оптических спектрометров с дифракционной решеткой, разрешающая способность которых ограничена размером и шагом решетки. Рабочие характеристики устройства также соответствуют характеристикам сканирующих интерференционных спектрометров с эталоном Фабри-Перо, но оно имеет преимущество, заключающееся в способности осуществлять анализ оптических спектров с использованием произвольного количества выходных каналов, каждый из которых является неперестраиваемым и не требует сканирования для измерения спектра.

Другой областью применения устройства является электрически управляемый мультиплексор/демультиплексор с разделением по длинам волн. Он особенно полезен для использования в области волоконно-оптической передачи данных. Мультиплексирование/демультиплексирование с разделением по длинам волн используют для объединения в оптическом волокне нескольких лазерных пучков с близкими длинами волн и для их разделения на другом его конце. В обычных мультиплексорах/демультиплексорах с разделением по длинам волн это осуществляют пассивным способом, а это означает, что для обеспечения настройки на требуемую частоту устройство должно быть создано с высокой точностью (Y. Inoue, Integrated Photonic Research 1996, Conference Proceedings, April 1996, Boston USA, Paper IMC1, p. 32-35; С. van Dam et al., Integrated Photonics Research 1996, Conference Proceedings, April 1996, Boston USA, Paper IMC6 p. 52-55).

Настоящее устройство может быть реализовано в виде мультиплексора/демультиплексора с разделением по длинам волн и имеет преимущество по сравнению с известными мультиплексорами, заключающееся в возможности осуществления активной юстировки посредством точной регулировки напряжений, приложенных к электродам на электрооптических волноводах. При мультиплексировании с разделением по длинам волн важно обеспечить активное управление центральной длиной волны и точную регулировку сдвигов фазы в отдельных волноводах, поскольку пассивные устройства на практике сложно изготовить с достаточной точностью.

Реально при мультиплексировании/демультиплексировании с разделением по длинам волн разделение по частоте не должно быть слишком большим, и оно обычно равно приблизительно 50-100 ГГц, в отличие от типичных значений, равных приблизительно 1 ГГц, требуемых для анализатора спектра. Это означает, что линии оптической задержки не должны иметь столь же большую длину, как в варианте применения в качестве анализатора спектра. Например, для обеспечения разрешающей способности-100 ГГц разность между максимальной и минимальной длиной задержки равна 800 мкм.

Устройство также может быть использовано для управления длиной волны лазера, расположенного на том же самом кристалле интегральной схемы. Известны подобные устройства, в которых используются решетки пассивных волноводных линий задержки. (М. Zimgibi et al., Integrated Photonics Research 1996, Conference proceedings, April 1996, Boston USA, Paper IMC6 p. 52-55 and L.H.Spiekman et al., Integrated Photonics Research 1996, Conference proceedings, April 1996, Boston USA, Paper IMC3 p. 136-139). Однако сложно осуществить разработку и изготовление этих устройств с такой точностью, которая является достаточной для обеспечения настройки на любое требуемое значение длины волны.

В данном случае решетка волноводов может быть использована в качестве части лазерного резонатора, который действует как фильтр определенной длины волны. Например, согласно фиг.3 область усиления может находиться во входном волноводе 60, который расположен перед n-канальным делителем 40, а отражатель (не показан) может находиться в области распространения. Отражатель устроен так, что он отражает обратно в решетку линий 43 задержки свет только одной конкретной частоты, что обеспечивает максимальное усиление выбранной частоты в резонаторе, и, следовательно, при условии, что резонатор имеет достаточно высокий коэффициент усиления, устройство осуществляет генерацию когерентного оптического излучения на длине волны, соответствующей частоте отраженного оптического излучения. Посредством использования решетки электрически настраиваемых устройств, согласно настоящему изобретению вместо решетки пассивных устройств, лазерная частота может быть настроена на любое требуемое значение частоты с точностью, определяемой пределами разрешающей способности решетки волноводов. Как правило, она может быть менее 100 МГц. Длина волны излучения лазера может поддерживаться постоянной или подстраиваться электронным образом посредством регулировки напряжений, прикладываемых к электродам на электрооптических волноводах, создавая таким образом в лазерном резонаторе обратную связь только на одной длине волны. Это устройство может быть особенно полезным для генерации частот СВЧ диапазона, что требует точной настройки частот двух входных лазеров.

Описание варианта осуществления изобретения, показанного на фиг.3, приведено для однокристального устройства из арсенида галлия (GaAs). Несмотря на то, что на практике вариант изготовления однокристального устройства может оказаться более удобным, в альтернативном варианте решетка линий задержки может быть размещена на самостоятельном кристалле интегральной схемы отдельно от решетки световодов, имеющих возможность смещения под действием электрического поля. Также может быть использована иная технология создания волноводов из полупроводников III-V группы, например, из InP/InGaAsP.

В другом варианте осуществления изобретения устройство может представлять собой устройство на основе волоконной оптики, в котором электрооптические волноводы используют в комбинации с узлами на основе волоконной оптики. Например, согласно фиг.2 линии 32 оптической задержки могут представлять собой оптические волокна различной длины. Подобным образом n-канальный делитель 31 может представлять собой волоконно-оптический узел или стеклянный кубик. В случае использования оптических волокон предпочтительным, вероятно, является создание электрооптических волноводов в кристалле ниобата лития, а не в кристалле арсенида галлия (GaAs).

Согласно фиг.2 устройство выполнено таким образом, что разделенные входные пучки проходят через волноводы, имеющие возможность смещения под действием электрического поля, перед прохождением через линии задержки 33. Однако устройство также может быть выполнено так, что последовательность осуществления функций управления фазой и задержки будет обратной, то есть функцию задержки вводят перед управлением фазой. Например, в устройстве на основе волоконной оптики это может быть осуществлено путем размещения волоконно-оптических линий 33 задержки между n-канальным делителем 31 и волноводами 32, имеющими возможность смещения под действием электрического поля. Подобным же образом в однокристальном устройстве линии 43 задержки переменной длины (фиг. 3) могут быть расположены перед электродами 42 для управления фазой.

Входной лазер, осуществляющий генерацию входного пучка, электрооптический модулятор, n-канальный делитель и совокупность волноводов, осуществляющих сдвиг фазы, могут быть расположены на одном кристалле интегральной схемы. Это позволяет создать малогабаритное легкое и надежное устройство, размеры которого лишь в незначительной степени зависят от требуемого количества каналов.

Устройство может работать в широком спектральном диапазоне, что ограничивается прозрачностью электрооптического материала, а также средой имеющейся внешней линии задержки. Современная технология GaAlAs позволяет перекрыть диапазон длин волн от 0,7 до 10 мкм. При использовании на входе оптического модулятора устройство также может осуществлять анализ ВЧ спектра.

Если на входе устройства используется перестраиваемое непрерывное лазерное излучение, может осуществляться электронное сканирование, а также сканирование при малых изменениях длины волны, без какой-либо подстройки используемых в нем фазовращателей. Кроме того, если линейные решетки соединены с выходными оптическими волокнами, и эти оптические волокна образуют двумерную решетку, то может быть осуществлено двумерное (х-у) сканирование посредством введения коротких задержек между каждым из входов линейной решетки. Линейные решетки должны иметь очень высокую чувствительность к длине волны (при использовании длительных задержек) для того, чтобы при превышении свободного спектрального диапазона (или заданного угла сканирования) следующий цикл сканирования смещался на малую величину перпендикулярно к первой оси сканирования.

Формула изобретения

1. Устройство для приема исходного пучка (35) излучения и для пространственного разделения частотных компонент в исходном пучке (35) излучения, содержащее средство (31; 40) для разделения исходного пучка излучения на множество вторичных пучков излучения, причем каждый вторичный пучок излучения имеет соответствующую фазу _i, множество волноводов (32; 41), имеющих возможность изменения электрооптических характеристик под действием электрического поля, образующих решетку волноводов, каждый из которых предназначен для передачи вторичного пучка излучения на выход, причем каждый волновод (32: 41) имеет связанную с ним линию (33; 43) оптической задержки, имеющую соответствующее время оптической задержки, причем каждое из времен оптической задержки является отличающимся, средство (42) для приложения изменяемого электрического поля к каждому из волноводов (32; 41) так, что фаза _i каждого из вторичных пучков излучения, передаваемых через соответствующий волновод (32; 41), может быть изменена посредством изменения электрического поля, отличающееся тем, что указанные волноводы (32; 41) расположены таким образом, что вторичные пучки излучения, полученные с выхода каждого из волноводов (32; 41), интерферируют с вторичным пучком излучения, полученным с выхода, по меньшей мере, одного из остальных волноводов, для формирования в области распространения интерференционной картины, причем интерференционная картина содержит один или более максимумов, расположенных в различных положениях в области распространения, так что устройство формирует, по меньшей мере, два выходных сигнала, устройство дополнительно содержит средство (36, 50) для осуществления ВЧ модуляции исходного пучка (35) излучения, а также образует многоканальный анализатор спектра для анализа указанного исходного пучка излучения после осуществления ВЧ модуляции.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно образует многоканальный анализатор спектра для анализа СВЧ излучения.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждая соседняя пара выходных волноводов пространственно разнесена на величину, пропорциональную разности времен оптической задержки между соответствующей соседней парой волноводов.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что волноводы (32; 41) имеют, по существу, линейное изменение времени оптической задержки по решетке волноводов.

5. Устройство по п. 3 или 4, отличающееся тем, что разность между временами оптической задержки по решетке волноводов равна, по меньшей мере, 100 пс.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что разность между временами оптической задержки по решетке волноводов равна, по меньшей мере, 10 нс.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что область распространения представляет собой область свободного пространства.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что область распространения представляет собой пластинчатый волновод.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что волноводы (32; 41), имеющие возможность изменения электрооптических характеристик под действием электрического поля, представляют собой волноводы из полупроводников III-V группы.

10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что волноводы, имеющие возможность изменения электрооптических характеристик под действием электрического поля, представляют собой волноводы из арсенида галлия (GaAs).

11. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что волноводы, имеющие возможность изменения электрооптических характеристик под действием электрического поля, представляют собой волноводы из InP/InGaAcP.

12. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что волноводы (32; 41), имеющие возможность изменения электрооптических характеристик под действием электрического поля, и связанные с ними линии оптической задержки образуют единое целое.

13. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно выполнено на одном кристалле интегральной схемы.

14. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что решетка волноводов выполнена в виде решетки волноводов (32; 41), имеющих возможность изменения электрооптических характеристик под действием электрического поля, каждый из которых имеет связанную с ним волоконно-оптическую линию (33; 43) задержки.

15. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средство разделения исходного пучка излучения на множество вторичных пучков излучения представляет собой многомодовый интерференционный делитель (40).

16. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждый из волноводов (32; 41), имеющих возможность изменения электрооптических характеристик под действием электрического поля, имеет независимое средство (42) для приложения изменяемого электрического поля к каждому из волноводов (32; 41), имеющее возможность изменения электрооптических характеристик под действием электрического поля.

17. Устройство по п. 16, отличающееся тем, что каждый волновод (32; 41), имеющий возможность изменения электрооптических характеристик под действием электрического поля, имеет независимый источник регулируемого напряжения.

18. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дополнительно содержит два или более выходных волноводов (44), расположенных в пределах области распространения таким образом, что каждый из выходных волноводов может осуществлять прием вторичного пучка излучения выбранной частоты с выхода одного или более волноводов (32; 41).

19. Способ пространственного разделения частотных компонент в исходном пучке (35) излучения, включающий этапы, при которых (I) осуществляют ВЧ-модуляцию исходного пучка (35) излучения, (II) исходный пучок (35) излучения разделяют на множество вторичных пучков излучения, каждый из которых имеет соответствующую фазу _i, (III) осуществляют передачу каждого из вторичных пучков излучения через один из множества волноводов (32; 41), имеющих возможность изменения электрооптических характеристик под действием электрического поля, которые образуют решетку волноводов, при этом каждый волновод имеет связанную с ним линию (33; 43) оптической задержки, имеющую соответствующее время оптической задержки, причем каждое из времен оптической задержки является отличающимся, (IV) к каждому из волноводов (32; 41), имеющих возможность изменения электрооптических характеристик под действием электрического поля, прикладывают изменяемое электрическое поле, (V) электрическое поле, приложенное к каждому из волноводов (32; 41), имеющих возможность изменения электрооптических характеристик под действием электрического поля, изменяют таким образом, чтобы можно было изменять соответствующие фазы _i вторичных пучков излучения, прошедших через каждый из волноводов (32; 41), имеющих возможность изменения электрооптических характеристик под действием электрического поля, и (IV) осуществляют вывод вторичных пучков излучения в область распространения таким образом, что они интерферируют с одним или с большим количеством остальных вторичных пучков излучения, образуя в области распространения интерференционную картину, содержащую один или более максимумов в различных положениях.

20. Способ по п. 19, отличающийся тем, что дополнительно включает этап (VII) принятия решения о частотных компонентах в исходном пучке излучения на основе положений одного или каждого максимума в области распространения.

РИСУНКИ