книги / Обработка радиосигналов акустоэлектронными и акустоопритческими устройствами
..pdfЛ.В. ПУГОВКИН, Л. Я. СЕРЕБРЕННИКОВ, В. М. ШАИДАРОВ,
С.М. ШАНДАРОВ
ШИРОКОПОЛОСНЫЕ АКУСТООПТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОПТИКИ
Важным направлением интегральной оптики является созда ние интегральных акустооптических устройств обработки инфор мации [1]. Требование повышения информационной емкости та ких устройств приводит к необходимости их работы в полосе ча стот в сотни МГц и до 1 ГГц.
В статье приводятся результаты исследований некоторых
вопросов создания |
широкополосных интегральных акустоопти |
ческих устройств на |
основе оптических волноводов LiNbOg : Ti. |
1.Широкополосное возбуждение ПАВ
вразличных срезах ниобата лития торцевым пьезопрсобразователсм
Для возбуждения ПАВ в акустоэлектронике и интегральной акустооптике используют встречно-штыревые преобразователи (ВШП), которые характеризуются высокой эффективностью и ши рокими функциональными возможностями для синтеза различных устройств. В то же время им присущи такие недостатки, как слож ность изготовления встречно-штыревых структур для работы на частотах выше 300+400 МГц и узкая относительная полоса рабо чих частот.
Для широкополосного возбуждения ПАВ в пьезоактивных ма териалах нами разработан торцевой пьезоэлектрический преобра зователь (ТПП) [2]. Исследования ТПП на звукопроводе из ниобата лития YZ-ориентации показали достаточно высокую эффек тивность возбуждения ПАВ и высокую равномерность коэффи циента преобразования в широкой полосе частот [2]. Наряду с YZ-ориептацией LiNbOg, перспективными для создания различ ных устройств, являются и другие его срезы. В связи с этим нами
проведены исследования |
возбуждения ПАВ |
с помощью ТПП |
в звукопроводах Y Z + 22° |
и XZ-ориеитаций |
LiN b03. |
В экспериментах определение акустической мощности ПАВ осуществлялось с помощью метода дифракции света при отраже нии его от поверхности с ПАВ. В качестве источника света исполь зовался He-Ne лазер (Х=0.63 мкм).
На рис. 1 приведены частотные зависимости коэффициента преобразования ТПП с различными апертурами и величинами за
зоров на звукопроводах |
X Z , |
Y Z , Y Z + 22° ориентаций. Для |
XZ |
|||
и |
]Гг+22°-ориентаций |
коэффициент преобразования определен |
||||
с |
точностью |
до постоянной |
K 1= M yz (M jz, у^+22°)_1 [3 ], |
при |
||
чем |
добавка |
+ 10 l g |
не превышает 2—3 дБ [3]. Таким обра |
|||
зом, |
для исследованных ориентаций LiN b03 эффективность воз |
|||||
буждения ПАВ достаточно высока. |
|
Из рис. 1 видно, что коэффициент преобразования ТПП па дает с ростом частоты. Это можно объяснить влиянием статической
емкости ТПГГ и уменьшением перекрытия тангенциального электрического поля в зазоре между электродами, а также влия нием пьезоэлектрического поля ПАВ. Максимальная широкополосность достигается для ТПП с минимальными зазором и апертурой. Так, при FZ-ориеитащш, апертуре ТПП 0.15 см и ве личине зазора 5 мкм неравномерность коэффициента преобразо вания составляет 6 дБ в полосе частот 2004-1000 МГц при макси мальной величине — 14 дБ. На этом же рисунке приведена частотная характеристика широкополосного ВШП для интеграль ных акустооптпческих устройств на LiNb03 FZ -ориентации [1]. Он незначительно превосходит ТПП по эффективности, проигры-
К,дБ
Рис. 1. Частотные зависимости коэффициента преобразования.
ТИП: 1 — YZ, L=0.4 см, 6=10 мкм; 2 — Y Z, L=0.15 см, 6=5 мкм; 3 — A'Z, Ь=0.4 см,
6=10 мкм; 4 — YZ+22°, £,=0.3 см, 6=8 мкм. ВШП: 5 — YZ—LiNbOa из [1].
вал в ширкополосностн. Существенным преимуществом ТПП перед ВШП является простота технологии изготовления. Основ ная сложность при создании ТПП — обеспечение высокого ка чества обработки ребра звукопровода, у которого создается зазор, и создание самого зазора. Для обработки ребра несколько звукопроводов с полированными поверхностями распространения склеизались так, чтобы обеспечить между ними минимальный зазор. Обработка (шлифовка, полировка) поверхности возбуждения ве лась до тех пор, пока на ребрах не устранялись дефекты. Для на несения электродов в напылительную установку помещались два звукопровода, сложенных поверхностями распространения так, что поверхности возбуждения образовали ступеньку. Располо жение кристаллов под углом относительно испарителя позволяло создать на поверхности возбуждения одного пз кристаллов «область тени» у его ребра. После напыления в области тени и об разовывался зазор, величина которого зависела от величины сдвпга кристаллов и угла их наклона.
2. Широкополосное ВЛОВ в диффузионных оптических волноводах
Основные особенности волноводного акустооптического взаи модействия (ВАОВ) обусловлены неоднородностью взаимодей ствующих волн и дисперсией волноводных мод. Неоднородность ВОВ п ПАВ приводит к зависимости эффективности ВАОВ от частоты ПАВ и типа ВОВ. С точки зрения создания широкополос ных акустооптических устройств обработки информации, несом ненный интерес представляет исследование таких зависимостей в оптических волноводах. LiNb03 : Ti разных ориентаций. Их тео ретический анализ может быть проведен для ВАОВ в волноводах любой ориентации, однако он требует громоздких численных рас четов на ЭВМ. Более простой задачей является эксперименталь ное исследование, основная сложность которого заключается в эффективном возбуждении ПАВ в широкой полосе частот. Применение ТПП позволяет решить эту задачу, поэтому нами проведен ряд экспериментов по исследованию частотных зависи
мостей эффективности ВАОВ в волноводах LiNb03 Ti |
Y Z , X Z , |
YZ + 2 2 °-ориентаций. Эксперименты показали, что эти |
зависимо |
сти для разных срезов отличаются незначительно, но чуть более предпочтительным является FZ -срез, имеющий максимальную равномерность нх в диапазоне частот 200-^-800 МГц. Основным фактором, ограничивающим ширину полосы брэгговской дифрак ции на частотах выше 100 МГц, является ее принципиальная узкополосность. Расширения полосы можно достичь за счет исполь зования скрещивающихся или фазированных пучков ПАВ, а также с помощью ВШП с переменным углом наклона электро дов [1 ]. Эффективным методом является применение фазированных пучков ПАВ с частотнозависимым фазовым сдвигом между пуч ками. Такой фазовый сдвиг можно создать, используя эффект различия скорости распространения ПАВ по свободной и металли зированной поверхности пьезоэлектрика [4]. Для этого поверх ность пьезоэлектрика металлизируется, причем область металли зации имеет ступенчатую форму. Применение данного эффекта в реальных устройствах требут знания связи между шириной полосы брэгговской дифракции и геометрическими размерами области металлизации. Эта связь может быть найдена при реше нии задачи о дифракции плоской световой волны на акустическом поле преобразователя с частотиозависимым фазовым сдвигом между элементами.
Распределение интенсивности акустического поля такого преобразователя в дальней зоне описывается выражением, ана логичным известному из оптики [5]:
/0= /0 sine3 U sin3 (/Vo) sin-1 5, |
(1) |
|
где |
|
|
тi d . |
TZCL |
|
U = -£ sm O , |
6 = -д-8ш ( 0 - 0 Am), |
|
Прп анализе полагаем, что мощпость сканирующего пучка ПАВ максимальная на частоте /01, т. е. 0лт (101)= 0 . Для получе ния максимальной ширины полосы дифракции условие Брэгга должно выполняться точно на частотах /х, /2, а при Л <С / <С/2 его рассогласование должно быть таким, чтобы интенсивность дифракции отличалась от максимальной на 3 дБ. Учитывая это, получим следующее выражение для интенсивности дифракции:
/д = /0 sine2 [тпБД] sine2 |
|
, |
(3) |
||
где |
|
|
|
|
|
o/i = |
/-/ni |
0/2= / /02 |
0 |
/1,2 — /02 |
|
|
/01 |
/02 |
|
/02 |
|
X KQ— величина, |
определяющая рассогласование условия Брэгга |
||||
па частоте /02. Поскольку в (3) ие входят |
абсолютные |
значения |
частот, параметры акустооптпческой среды и геометрические раз меры преобразователя, (3) является универсальным для описания дифракции световой волны на сканирующем акустическом пучке. Проведенные для /01//02—1 11 оптимальной с точки зрения широко-
полосности формы /д (В/), численные расчеты |
позволили по |
строить зависимости 2Д/ (8) и Х к0 (8) (рис. 2, б, |
б). С помощью |
этих зависимостей можно по заданному значению 2Д/ определить параметры 8 и Х го, соответствующие оптимальной форме /д (8/). Геометрические размеры преобразователя для заданной акустооптической среды и конкретного диапазона частот можно найти из выражений, полученных при выводе (3):
2ттг*72 |
„ |
2• V ’ r |
, |
mVVe |
(4) |
*/O2 ( 1 - 5 V |
L - Nd— |
’ |
ll- f o i ( V - V 0) |
Дисперсия волноводных мод позволяет реализовать в опти ческих волноводах дифракцию с преобразованием мод, которая может иметь широкополосную геометрию. Такая дифракция в волповбдах LiN b03 Ti рассматривалась нами в [6]. Исследова ния показали, что на центральной частоте дифракции Т Е 0—Т Е ±
/0_1=907 |
МГц при апертуре ПАВ L = 0 .75 |
см ширина полосы ди |
фракции |
Т Е 0— Т Е г составляет 225 МГц, |
а обычной дифракции |
Т Е 0- Т Е 0 - 27 МГц. |
|
Таким образом, дифракция с преобразованием мод может при меняться наряду с дифракцией на сканирующих ПАВ для созда ния широкополосных волноводных акустооптических устройств.
3. Торцевые отражатели для интегрально-оптических устройств
Важными элементами устройств интегральной оптики явля ются волноводные линзы. Часто они выполняются геодезическими. Недостатком таких элементов является то, что они могут быть лишь положительными. В [7] сообщается об отражении ВОВ
соваиный фильтр, причем роль кодовой основы опорной функции выполняет тот же силуэтный фильтр.
Однако обсуждаемый процесс можно рассматривать с иных позицйй. Предположим, что первично заданным является некото рое двухмерное бинарное изображение. Введение его в процес сор на место кодирующего транспаранта и получение соответ ствующего импульсного отклика (в общем случае — сложного радиосигнала) является операцией электрического кодирования исходного изображения; при этом, естественно, тот же или любой другой процессор с тем же изображением в качестве кодирующего транспаранта, является согласованным фильтром для сформиро ванного радиосигнала. Это означает, что в радиоканале связй между двумя идентичными акустооптическими процессорами кор реляционного типа может быть осуществлено кодирование, пере дача и корреляционное распознавание изображения. Действи тельно, «предъявление» изображения процессору па передающем конце, работающему в режиме формирования, порождает сложный радиосигпал, для которого приемный процессор явится согласо ванным фильтром, если роль кодирующего транспорапта в нем выполняет точно такое же изображение. Прежде чем будет дана критическая оценка сформулированной идеи, рассмотрим ее теоре тическую сторону.
Как показано в работе [1], песущий транспарант реализуется обычно в виде немодулироваипой амплитудной дифракционпой решетки, повернутой относительно оси оптической системы на небольшой угол. Этот поворот, не меняя практически периода решетки вдоль координаты обработки х , сообщает транспаранту линейное изменение фазы вдоль ортогональной (фазовой) коор динаты, что .п позволяет называть его пассивным линейно-фазовым транспарантом (ЛФТ). В работе [3] было показано, что возможна и иная реализация несущего транспаранта, когда его роль выпол няет акустический модулятор света (AMG), возбуждавмый гар моническим напряжением и также повернутый относительно оптической оси системы. В этом случае реализуется фазовая с м о дулированная подвижная решетка, что приводит к понятию динами ческого ЛФТ. Если он пассивен, приемный и передающий процес соры работают па одинаковой несущей частоте, если —■динами ческий, то в радиоканале должно совершаться понижение рабочей частоты [3J. В терминах комплексных огибающих рассмотрение оказывается универсальным, поскольку в исследуемой системе условие пространственного согласования сигнальной акустиче ской волны и транспаранта соблюдается.
Комплексная огибающая импульсной функции принятого в рас смотрение корреляционного процессора [1, 4] выражается сле дующим образом:
-{-со
( 1)
—со
Радиосигнал, имеющий огибающую (5), согласован с процес сором. Выделение автокорреляционной функции этого радио сигнала может быть осуществлено с помощью рассматриваемого пли ему подобного процессора при условии либо инверсии на правления акустической волны, либо осевой инверсии изображе ния Т к (я, у) (т. е. его поворота на угол к вдоль оси оптической системы). При выполнении любого из этих условий выделится упомянутая автокорреляционная функция
+ С О
Г ( 0 = \ K(f)h*m( f + t) df =
+ 0 0 |
|
= J T , (Vf - L, X) f* IV ( f + t ) - L , x] df . |
(6) |
Пусть задай некоторый алфавит из N двухмерпых |
(в общем |
случае мпогосвязпых) изображений, описываемых функциями
прозрачности |
{£ь. (x, у)}, |
i = 1,2, |
., JV, таких, что |
|
||
ж, |
**/ (*> |
ï/)> |
+ L], |
ygt- Я , +ff], |
(7) |
|
О, |
x £ [ - L t +L], |
У6 [—77, +Я], |
||||
|
|
т. е., если каждый элемент алфавита полностью размещается в опти ческой апертуре процессора (здесь 2Н — размер оптической апертуры вдоль координаты у). Тогда если в приемном процес соре реализуется параллельное или последовательное предъ явление всех элементов алфавита, то откликом процессора—ана лизатора будет параллельное или последовательное выделение кросскорреляцпониых функций
+ 0 0 |
|
n j (0 = \ h i (Vf - L, x) tlj [V ( f + t ) ~ L , x] df, |
(8) |
где tIci и i l j определены в смысле выражения (4).
Дальнейшая процедура, связанная с распознаванием сигнала (изображения), может строиться по известным алгоритмам в за висимости от выбранного критерия. В простейшем случае, если выбросы автокорреляционных функций превышают выбросы кросскорреляционных, процедура принятия решений может со стоять в нормировке откликов и сравнении с порогом. Если алфа вит задай, усиление межэлементной развязки, например, по со отношению корреляционных выбросов, может быть достигнуто путем: а) оптимизации параметра х? б) применения амплитудного ограничения, в) двойного кодирования по ортогональным коор динатам.
Предложенный метод кодирования, передачи и распознавания двухмерных изображений, являющийся еще одним возможным алгоритмом акустооптического корреляционного процессора,
отличает несомненная простота ii комплекспость решения задачи. Но метод имеет и серьезные ограничения. Прежде всего они за ключаются в том, что процесс кодирования сопровождается боль шими информационными потерями, делающими принципиально невозможным однозначное восстановление изображения по ра диосигналу. Действительно, несмотря па то что данному изобра жению при заданных параметрах процессора сопоставляется однозначный и пространственно инвариантный отклик, послед нему может быть сопоставлено множество изображений, ведущих к точно такому же отклику, что с очевидностью следует из выра жения (3). Поэтому с ростом числа элементов алфавита, а также с возрастанием сложности изображений вероятность сильных кросскорреляцпопных связей будет возрастать, делая неэффек тивной простую процедуру принятия решений в процессе распо знавания. Упомянутые информационные потери вместе с тем не являются сколько-нибудь решающими, так как целью кодиро вания является не достижение информационной адекватности между изображением и кодом, а возможность распознавания изо бражения. При конечном алфавите количество информации в не котором изображении всегда значительно меньше в среднем, чем в случае, когда все возможные изображения равновероятны. Классические приемы распознавания изображений, связанные с кодированием, всегда опираются па резкое сокращение избы точности, эффективное кодирование, аппроксимацию и тому подобные приемы и сопровождаются потерей информации. Более того, даже при отсутствии кодирования, когда процесс распознава ния осуществляется на оптическом уровне, матрицы корреляций даже простых совокупностей изображений типа буквенного алфа вита [5] вынуждают включать в критерии различения свойства симметрии взаимнокорреляционных функций и другие признаки. Таким образом, областью практического использования описан ного алгоритма являются ситуации, когда объем алфавита огра ничен десятками элементов, описываемых бинарными веществен ными функциями прозрачности. Достоверность этого утверждения проверялась путем моделирования разработаппого метода на ЭВМ п соответствующего машинного эксперимента. Испытывались алфа виты простых геометрических образов, цифровые и буквенные алфавиты конкретного начертания. Использовалось одномерное кодирование без оптимизации параметров путем перебора значений постоянной ЛФТ. Табл. 1 содержит значения кросскорреляциопных выбросов на выходе анализирующего процессора для части буквенного алфавита, имеющего начертапие, характерное для средств вывода на печать, применяемых в ЭВМ. Табл. 2 дает пред ставление о влиянии параметра ЛФТ па кросскорреляцпопные связи, где значения выбросов приведены для двух случайно выбранных значений параметра
Автор благодарен В. И. Коротчику за помощь в проведении вычислений на ЭВМ.