專利名稱：電可調(diào)光學(xué)濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電可調(diào)光學(xué)濾波器，特別地該光學(xué)濾波器可應(yīng)用于對(duì)微波或光頻率的輸入輻射光束中的頻率分量作空間分離。更具體地講，此裝置可用作非掃描(staring)譜分析儀或者作為波分復(fù)用器和解復(fù)器。
這里有兩種方法制造譜分析儀。一種情況是，要分析的輸入信號(hào)可以通過用要求的頻率范圍掃描的可調(diào)濾波器。然后測(cè)量通過濾波器傳輸?shù)念l率而獲得譜。這樣的系統(tǒng)稱做掃描譜分析儀。另一種是，輸入信號(hào)被分解為許多相同的低功率信號(hào)，然后每個(gè)信號(hào)通過一系列均勻分布濾波器中的不同濾波器。該系列濾波器的輸出功率給出所要求的譜，這樣的系統(tǒng)叫做非掃描譜分析儀。
如同實(shí)驗(yàn)室中使用的一樣，傳統(tǒng)的射頻譜分析儀是掃描譜分析儀．這是因?yàn)閽呙枳V分析儀能夠覆蓋寬的頻率范圍，且具有高的分辨率，并容易地按要求重新設(shè)置。然而，掃描譜分析儀只對(duì)測(cè)量變化不太快的輸入信號(hào)有用，因?yàn)樗鼈円淮蝺H能“看”一個(gè)頻率。例如，如果輸入信號(hào)包含快脈沖，如果在脈沖到達(dá)時(shí)分析儀沒有看這個(gè)頻率，則掃描譜分析儀很容易地錯(cuò)過某些頻率的脈沖。
非掃描譜分析儀克服了這個(gè)問題。然而特別地，在頻道數(shù)目多的情況下，制作一個(gè)這樣的分析儀要比制作掃描譜分析儀更困難些。由于分離器通常是窄帶元件，以各種方式分離寬帶RF電信號(hào)而沒有嚴(yán)重的失真是很困難的。而且，RF濾波器必須以與濾波器帶寬的倒數(shù)成比例的時(shí)間對(duì)信號(hào)延遲，并且這樣使得這種元件很大，而且采用傳統(tǒng)技術(shù)難以制造成具有足夠低的能量損失，以便獲得低于100MHz分辨率。
光學(xué)方法可用于制造掃描和非掃描譜分析儀。掃描Fabry Perot干涉儀是掃描光譜分析儀的一個(gè)例子，它包括兩個(gè)可相互移近或遠(yuǎn)離(通常使用一個(gè)鋸齒波驅(qū)動(dòng)電壓)的平行(或共焦)平板。以時(shí)間為自變的輸出強(qiáng)度給出了光譜[參見文章“Introduction to opticalelectronics”，A．Yariv(Holt Reinhart and Winston，1976)]。
光柵譜儀是光學(xué)非掃描譜分析儀的例子。它是通過將輸入光束分成上千個(gè)光束，把每個(gè)光束的相位改變，改變量與它的位置呈線性(利用光柵)關(guān)系，并且在一個(gè)輸出探測(cè)器陣列上重新合成移相的所有光束。由于相移，不同的光頻率在探測(cè)器陣列的不同位置重新相位合成。
另一種類型的非掃描光譜分析儀是聲光器件，其中要被分析的信號(hào)用來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)產(chǎn)生聲波到一個(gè)透明的壓電和電光材料(比如鈮酸鋰)的聲光傳感器。聲波在這種材料中建立折射率波，這種材料能夠以與RF頻率直接成比例的量將通過它們的光進(jìn)行衍射。事實(shí)上，這種類型的譜分析儀之所以能夠達(dá)到很高的分辨率，主要是因?yàn)槁暡ū入姶挪▊鞑サ母?，能夠在小器件上產(chǎn)生更長(zhǎng)的延遲。然而由于聲波損失的存在，它們局限于低于幾個(gè)GHz的頻率范圍。
各種光波導(dǎo)類型的低分辨率光譜儀已經(jīng)出現(xiàn)了，通常用于在一個(gè)光纖上合成(復(fù)用)或分離(解復(fù))一定數(shù)量的不同波長(zhǎng)。然而這些是無(wú)源器件而不是有源器件，是通過精確的蝕刻制造并設(shè)計(jì)成控制光學(xué)相移。然而，蝕刻的不精確性是不可避免的，而且這限制本系統(tǒng)能夠獲得的分辨率。
UK2 269 678A是有關(guān)本發(fā)明的領(lǐng)域，它描述的是在半導(dǎo)體基片上形成的可調(diào)的干涉濾波器，基片上波導(dǎo)被分割成許多的等長(zhǎng)的分支。每個(gè)分支都有可電控的振幅和相位控制元件，用于調(diào)制通過分支傳播的光的輻度和相位。濾波器具有從許多的復(fù)用光信號(hào)中選擇預(yù)定波長(zhǎng)光信號(hào)的功能。通過每個(gè)分支的傳播光重新合成提供單個(gè)器件輸出信號(hào)。因此UK2 269 678A中描述的器件具有如下缺點(diǎn)，即器件只有一個(gè)波長(zhǎng)的輸出，而其它波長(zhǎng)在基片中損失。因此該裝置不適合用作譜分析儀或者要求有多個(gè)不同波長(zhǎng)輸出的應(yīng)用場(chǎng)合。
依據(jù)本發(fā)明，用于空分主輻射束內(nèi)頻率分量的器件，包括用于將主輻射束分成許多的次級(jí)輻射束的裝置，每個(gè)次級(jí)輻射束具有一個(gè)相位φ，許多的電偏置的波導(dǎo)形成波導(dǎo)陣列，每個(gè)用于傳送一個(gè)次級(jí)輻射束到輸出端，這里每個(gè)波導(dǎo)有一個(gè)具有相應(yīng)光學(xué)延遲時(shí)間的相關(guān)光學(xué)延遲線，其中光學(xué)延遲時(shí)間中的每一個(gè)都不相同。
將可變電場(chǎng)施加于每個(gè)波導(dǎo)上的裝置，以便可以通過改變電場(chǎng)改變通過每個(gè)波導(dǎo)傳播的次級(jí)輻射束的相位φ，
從而，從每個(gè)波導(dǎo)輸出的次級(jí)輻射束在傳播區(qū)域內(nèi)與從至少其它的波導(dǎo)之一輸出的次級(jí)輻射束干涉，以便形成在傳播區(qū)的不同位置包括一個(gè)或多個(gè)極值的干涉圖樣。
最好，器件提供至少兩個(gè)輸出。
器件也可以包括用于將RF調(diào)制施加于主輻射束的裝置。因此器件可用作光學(xué)非掃描譜分析儀或RF譜分析儀，而且克服了掃描譜分析儀如下的缺點(diǎn)當(dāng)輻射脈沖到達(dá)時(shí)如果器件沒有正好掃描其它頻率，這些頻率的信號(hào)就可能丟失。進(jìn)一步，通過RF調(diào)制裝置，器件能夠用于掃描光和微波頻率，而且通過改變施加于一個(gè)或多個(gè)電可偏置的波導(dǎo)的電場(chǎng)，在使用中可以有源控制器件。因?yàn)橥ㄟ^每個(gè)波導(dǎo)傳輸?shù)妮椛湎辔豢赡茏兓虼巳魏卧O(shè)計(jì)上的不精確可以在使用時(shí)通過改變所施加的電場(chǎng)而得到校正。這比用于復(fù)用和解復(fù)光束的無(wú)源器件更優(yōu)越。
在最佳實(shí)施例中，每對(duì)相鄰的波導(dǎo)輸出被分開與相應(yīng)的相鄰的波導(dǎo)對(duì)之間的光學(xué)時(shí)間延遲差呈比例的量。這具有如下的好處對(duì)應(yīng)于不同光頻率的不同強(qiáng)度最大值正好出現(xiàn)在傳輸區(qū)內(nèi)的限定角度上，而且兩個(gè)不同頻率分量的最大值之間的角度之差基本上與兩個(gè)頻率分量的頻率之差成比例。
在另一個(gè)最佳實(shí)施例中，在波導(dǎo)陣列中的波導(dǎo)基本上具有線性變化的光學(xué)時(shí)延。
典型地，通過波導(dǎo)陣列的光時(shí)延之差至少為100皮秒，并且可以至少是10納秒。
傳播區(qū)可以是一個(gè)空白區(qū)或者可以是個(gè)板狀波導(dǎo)。利用板狀波導(dǎo)具有優(yōu)越性，因?yàn)樗汛渭?jí)波限制在比如說(shuō)一個(gè)芯片上。
電偏置波導(dǎo)可以是Ⅲ—Ⅳ族半導(dǎo)體波導(dǎo)。比如，可以使用GaAs或InP／InGaAsP波導(dǎo)。
電偏置波導(dǎo)和光學(xué)延遲線一起形成一個(gè)整體，而且器件可在單個(gè)芯片上形成?；蛘?，每個(gè)電偏置波導(dǎo)可包括一個(gè)電偏置波導(dǎo)和一個(gè)光纖延遲長(zhǎng)度。
用于將主輻射束分離成許多的次級(jí)輻射束的裝置是一個(gè)多模干涉分離器。
每個(gè)電偏置波導(dǎo)可具有用于改變電偏置波導(dǎo)區(qū)電場(chǎng)的獨(dú)立的裝置。比如，每個(gè)電偏置波導(dǎo)可以具有一個(gè)獨(dú)立的可變電壓源。
器件也可以包括一個(gè)或多個(gè)位于傳送區(qū)內(nèi)的輸出波導(dǎo)，以便于每個(gè)輸出波導(dǎo)可以接收來(lái)自于一個(gè)或多個(gè)波導(dǎo)的被選擇頻率的次級(jí)輻射束。
另外，或作為一種選擇，器件可以包括一個(gè)具有一個(gè)激光腔的輸入激光器，這里電偏置波導(dǎo)形成激光腔的一部分，使得通過改變施加到每個(gè)波導(dǎo)上的電場(chǎng)選擇調(diào)整激光的波長(zhǎng)。
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種空分主輻射束頻率分量的方法包括如下步驟(ⅰ)將主輻射束分成許多的次級(jí)輻射束，每個(gè)次級(jí)輻射束具有相位φ，(ⅱ)通過構(gòu)成波導(dǎo)陣列的多個(gè)電偏置的波導(dǎo)之一傳播每個(gè)次級(jí)輻射束，其中每個(gè)波導(dǎo)具有一個(gè)相關(guān)的光學(xué)延遲線，每個(gè)延遲線具有相應(yīng)的光延遲時(shí)間，每個(gè)光延遲時(shí)間是不同的。
(ⅲ)對(duì)每個(gè)電偏置波導(dǎo)施加可變電場(chǎng)，以及(ⅳ)改變加在電偏置波導(dǎo)上的電場(chǎng)，以便通過每個(gè)電偏置波導(dǎo)傳播的次級(jí)輻射束的相位φ可以改變，(ⅴ)輸出次級(jí)輻射束到傳播區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)它們可以和一個(gè)或多個(gè)其它次級(jí)輻射束相互干涉，以及(ⅵ)在傳播區(qū)形成一個(gè)干涉圖樣，包括位于不同位置上的一個(gè)或多個(gè)最大值。
方法可進(jìn)一步包括如下步驟(ⅶ)在傳播區(qū)所述一個(gè)或每一個(gè)最大值位置推導(dǎo)出主輸入光束的頻率分量。
現(xiàn)在參考下面的附圖僅以舉例方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，其中

圖1示出已知電-光波導(dǎo)器件的原理透視圖；圖2示出本發(fā)明的原理圖；圖3示出單片GaAs波導(dǎo)陣列器件的掩模圖，整個(gè)陣列上具有變化的光學(xué)延遲，圖4(a)示出對(duì)于沒有輸入調(diào)制的輸入激光束，從圖3所示的電-光波導(dǎo)器件獲得的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖樣的紅外相機(jī)照片；
圖4(b)和圖4(c)示出對(duì)于沒有RF調(diào)制的輸入激光束，從圖3所示的電-光波導(dǎo)器件獲得的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖樣的紅外相機(jī)照片；圖5示出對(duì)于沒有調(diào)制的輸入激光束的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖樣的線掃描，說(shuō)明改變輸入激光波長(zhǎng)的效果；圖6示出在沒有非調(diào)制輸入光束而有三個(gè)不同頻率調(diào)制邊帶情況下的遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)模型的線掃描，和圖7顯示的是在圖6所示的在放大的范圍上的線掃描的情形，移去折射邊帶的影響。
可以用于本發(fā)明的電-光波導(dǎo)器件的一部分示于圖1中。電-光波導(dǎo)器件及它的操作在美國(guó)專利US 5 293 598中有所描述。總而言之，器件(通常指1)包括重?cái)v雜n型(n+)的GaAs基片2，通常攙雜濃度為1×1018cm-3。該層2上敷以具有相似的攙雜類型和濃度的n+GaxAl1-xAs敷層3。
敷層3上面有波導(dǎo)芯層4。該層4由n-(未攙雜，剩余n型)GaAs。這些層可看作是整個(gè)GaxAl1-xAs系統(tǒng)。層4具有延伸至它的上表面6的槽5，槽5從器件1的前面大部分但不是全部延伸到并行的后面(未顯示)，后表面具有水平和垂直邊(分別為7，8)。肋波導(dǎo)9形成在槽5之間。通常波導(dǎo)9寬度為2．6μm，長(zhǎng)度為3mm。雖然實(shí)際上在一個(gè)完整的器件上將包括更多數(shù)目的波導(dǎo)，圖1示出了兩個(gè)波導(dǎo)9(三個(gè)槽5)。
每個(gè)波導(dǎo)9被敷以鋁層10和連接片11，連接片11連接到DC偏置電壓源12。因此每個(gè)波導(dǎo)9分別編址。器件1的前面13和后面7／8被細(xì)心地切割以便提供光學(xué)質(zhì)量的表面。
在工作時(shí)，器件1可以被在后面7／8波導(dǎo)層4區(qū)域上會(huì)聚成一個(gè)小點(diǎn)(比如說(shuō)直徑2μm)的輻射(由線20表示)照射。典型地，這里距離波導(dǎo)端部500μm。然后光從所述點(diǎn)發(fā)散至波導(dǎo)9。從波導(dǎo)9出射的光束由發(fā)散的箭頭諸如21表示。出射光束21組合共同的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖樣，該圖樣在位置24具有中心強(qiáng)度最大值22和兩個(gè)或更多的次級(jí)最大值23，如圖1的底部所示。
每個(gè)波導(dǎo)9可以支持水平和垂直模式的光傳播。波導(dǎo)9產(chǎn)生的光輸出強(qiáng)度基本上局限于最低級(jí)的水平和垂直模式，而較高級(jí)的水平和垂向模式被禁止。結(jié)果是波導(dǎo)9組合產(chǎn)生的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖樣基本上來(lái)自于低級(jí)空間模式。光通過器件的傳播模式的進(jìn)一步解釋參看US 5 239598。
因此波導(dǎo)芯層材料4具有電-光(亦即電-折射)特性，每個(gè)波導(dǎo)9上的折射率和光路長(zhǎng)度依賴于利用電壓源12提供的電場(chǎng)。任何波導(dǎo)9的鋁層10上的電壓變化的結(jié)果會(huì)改變它的光輸出相位。遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖樣是來(lái)自波導(dǎo)9的相位和幅度的貢獻(xiàn)的矢量和，而且通過改變波導(dǎo)電壓可以改變主最大值24的位置。通過控制施加到每個(gè)波導(dǎo)上的電極上的電壓，從而可以形成和掃描或電聚焦遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖樣中的光束。由器件1產(chǎn)生的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖樣在空氣中完全形成在小于0．5mm范圍內(nèi)，或在GaAs介質(zhì)中小于1．8mm的范圍內(nèi)。波導(dǎo)電壓在20V范圍內(nèi)時(shí)，可以控制可以達(dá)到200。
本發(fā)明是用于空分輸入輻射光束不同頻率分量的器件，包括電-光波導(dǎo)陣列，每個(gè)波導(dǎo)具有一個(gè)光延遲各不相同的相關(guān)延遲線。典型地，電-光波導(dǎo)具有如圖1所示的電光波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)，還有附加的上敷層n-GaxAl1-xAs(1×1015cm-3)，通過保持光遠(yuǎn)離金屬電極而降低光損失。在如圖1所示的傳統(tǒng)器件中，可以通過改變施加到每個(gè)單獨(dú)的波導(dǎo)的電壓來(lái)控制遠(yuǎn)場(chǎng)光束。因此，遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖樣可以是電可控的。在本發(fā)明中，由于每個(gè)波導(dǎo)的不同的延遲長(zhǎng)度，遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖樣既是頻率可控的又是電可控的。因此，如果延遲線長(zhǎng)度短，比如說(shuō)500μm，器件可用作光譜分析儀，如果延遲線長(zhǎng)的話，比如10cm，器件可用作微波普分析儀。
本發(fā)明的器件30的一個(gè)實(shí)施例的原理圖示于圖2中。該裝置包括一個(gè)n路分離器31和n個(gè)光學(xué)移相器32。例如，光學(xué)移相器32可以是圖1中所示的電-光波導(dǎo)器件。器件30也包括由n個(gè)光纖延遲線33組成的陣列和一個(gè)輸出線性相位陣列34，光學(xué)延遲線33在陣列中具有線性延遲長(zhǎng)度變化。來(lái)自器件30的輸出譜能夠在TV攝像機(jī)上觀看，或者用非掃描線性探測(cè)器陣列37記錄、處理、顯示或者存儲(chǔ)輸出譜。要掃描的輻射光束35可以直接輸入到器件30。作為一種選擇，光束35可以用電-光強(qiáng)度調(diào)制器36調(diào)制。電-光強(qiáng)度調(diào)制器36的功能將在下面更詳細(xì)地描述。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，圖2中原理性地示例的器件30可形成在單個(gè)的芯片上。作為單芯片器件的例子，這里描述的是16波導(dǎo)，是單片GaAs器件。
圖3示例了單片16道GaAs電-光波導(dǎo)器件的掩模圖。器件30包括一個(gè)輸入波導(dǎo)39，光束35輸入到里面，和一個(gè)用于將輸入光束35分割成n個(gè)不同輸出的1到16道多模式干涉分離器40。例如，可以是如同美國(guó)專利5 410 625中描述的多模式干涉分離器。器件30還包括16個(gè)用于光學(xué)相位控制的電-光波導(dǎo)41，每個(gè)電-光波導(dǎo)41具有一個(gè)電極42用來(lái)將電場(chǎng)施加到每個(gè)波導(dǎo)41上。這就使得每個(gè)波導(dǎo)41可以單獨(dú)尋址。
與每個(gè)電-光波導(dǎo)41相連的是各自的具有不同長(zhǎng)度的光學(xué)延遲線43。優(yōu)選地，在整個(gè)電-光波導(dǎo)陣列上延遲長(zhǎng)度基本上是線性變化的。在延遲線43的輸出端是一個(gè)緊密排列的輸出波導(dǎo)陣列44。輸出波導(dǎo)陣列在圖上表示為水平黑線44的陣列，每個(gè)都具有一個(gè)輸出位置46并與延遲線43相連。
實(shí)際上為了制造的方便，每個(gè)電-光波導(dǎo)41，相連的延遲線43和相連的輸出波導(dǎo)44可以形成為一個(gè)波導(dǎo)，以便器件是每個(gè)波導(dǎo)都具有不同長(zhǎng)度(亦即具有不同的延遲)的電-光波導(dǎo)陣列。每個(gè)波導(dǎo)具有不同光學(xué)長(zhǎng)度的波導(dǎo)陣列在此文中指的是電-光波導(dǎo)延遲線陣列。將元件41、43和44分別制造在單個(gè)芯片上制造器件也是可能的。通常，電-光波導(dǎo)41具有如圖1所示的結(jié)構(gòu)形式，并且在圖中表示為由光學(xué)分離器40延伸的水平黑線。
在使用中，來(lái)自輸入激光器(未示出)的連續(xù)波輻射35可以在多模式干涉分離器40處輸入到器件30，在此輸入光束被分離成16道。16個(gè)分離信號(hào)中的每一個(gè)通過電-光波導(dǎo)41(或移相器)之一，進(jìn)入相連的延遲線43，再到形成輸出波導(dǎo)陣列的輸出波導(dǎo)44。而后在位置46從輸出波導(dǎo)出射的16個(gè)輸出光束45進(jìn)入它們干涉的區(qū)域(本文指的是傳播區(qū))。典型地，傳播區(qū)可以是個(gè)板狀波導(dǎo)(未示出)，以便出射光束45被限制在芯片上，但傳播好象在自由空間似的。作為一種選擇傳播區(qū)可以是自由空間。
來(lái)自每個(gè)輸出波導(dǎo)44的輸出光束45在位置46輸出，并在傳播區(qū)與大部分或所有來(lái)自其他輸出波導(dǎo)44的輸出光束45干涉，使得不同頻率分量在干涉區(qū)的不同位置形成強(qiáng)度最大值。干涉圖樣或遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖樣通常在大約幾個(gè)毫米距離處，因此能夠用對(duì)特定波長(zhǎng)的光敏感的相機(jī)觀察到。
輸出波導(dǎo)44緊密地排列，通常間隙小于100μm，最好更緊密地排列，例如在相鄰的輸出位置46之間的距離在5-20μm之間。每個(gè)輸出波導(dǎo)44的輸出位置46基本上沿一條直線L布置。最佳地，輸出波導(dǎo)44分開的距離使得任何相鄰的輸出輸出位置46之間的中心對(duì)中心間距直接與這兩個(gè)相鄰的輸出波導(dǎo)之間的光學(xué)時(shí)間延遲之差成比例。這就保證了相應(yīng)于不同光頻率的強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在傳播區(qū)的限定角度，并且保證對(duì)于兩個(gè)不同頻率光束的最大值之間的角度差直接與兩個(gè)光束的頻率之差成比例。
在另一個(gè)最佳實(shí)施例中，輸出位置46均勻分開，而且使得每對(duì)相鄰的波導(dǎo)延遲線之間的相應(yīng)光學(xué)時(shí)間延遲相應(yīng)地均勻分開，以便陣列中的光學(xué)延遲線43基本上是線性變化。通常，這可能對(duì)應(yīng)于0到1納秒之間的延遲時(shí)間范圍(亦即第n個(gè)波導(dǎo)的相對(duì)延遲是n／16納米，其中n=1至16)。在本實(shí)施例中，器件30可以如同道間距為1GHz的16道譜分析儀一樣工作。如果相鄰延遲線之間的光延遲時(shí)間差是100ps的數(shù)量級(jí)，這就提供了一個(gè)10GHz的自由譜范圍(亦即工作的最大頻率范圍)，并且分辨率為10Hz／N，這里N是延遲線的數(shù)目。因此最大和最小延遲線長(zhǎng)度之差決定了器件能夠達(dá)到的頻率分辨率。
對(duì)于用波長(zhǎng)為1．064μm的NdYAG激光束泵浦的輸入二極管，對(duì)于具有圖3所示GaAs芯片器件形式的器件取得了結(jié)果。如果施加到電-光波導(dǎo)41的電壓初始化，以便所有16個(gè)輸出光束45同項(xiàng)，那么在遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖樣中將給出單個(gè)主光束和兩個(gè)側(cè)瓣(由于輸出強(qiáng)度圖樣的周期性)。示出在圖4(a)中，其中示出單個(gè)主光速47a和兩個(gè)側(cè)瓣47b。那么通過線性改變陣列中16個(gè)輸出光束的相位，可以掃描主光束47a和側(cè)瓣47b。
比如，在陣列里如果相位的步長(zhǎng)是160°／16(亦即22．5°)(從相同的起始條件)，光束將被主光束-第一側(cè)瓣間距的1／16所控制。更一般地，如果相位的變化步長(zhǎng)是n×22．5°，光束將被主光束-第一側(cè)瓣間距的n／16所控制，直到當(dāng)n=16時(shí)，再現(xiàn)原始圖樣，因?yàn)殛嚵休敵龉馐俅瓮?就象起始條件一樣)。
實(shí)際上，通過適當(dāng)?shù)剡x擇施加到每個(gè)波導(dǎo)上的電極的電壓，相位總是可以設(shè)定為0至360°范圍內(nèi)的值。不使用等長(zhǎng)的波導(dǎo)而采用增加延遲線的效果是如果輸入光波長(zhǎng)或頻率改變光束可控。這用傳統(tǒng)的電-光波導(dǎo)不能實(shí)現(xiàn)，而本發(fā)明得以實(shí)現(xiàn)的原因是當(dāng)輸入波長(zhǎng)變化時(shí)，輸出相位以和電掃描主光束相同的方式在陣列內(nèi)線性變化。比如，對(duì)于具有0到1納秒波導(dǎo)延遲線集線性變化的器件，輸入光束1GHz的頻率變化控制光束移動(dòng)主束-第一側(cè)瓣間距的1／16，因?yàn)?GHz光頻率的變化正好相應(yīng)于每納秒一個(gè)周期的變化，或者是在1納秒的延遲線內(nèi)有360°的相移。
第n個(gè)波導(dǎo)的延遲引起相應(yīng)的n×22．50°相移，這是控制主光束-第一側(cè)瓣間距的1／16的移動(dòng)所要求的相位值。這樣，器件提供依賴于光束掃描的頻率，光束掃描比電掃描具有更大的優(yōu)越性。進(jìn)一步，將兩種掃描方式一起實(shí)施使得裝置更具有優(yōu)越性，雖然器件描述為16道的器件，在實(shí)際中可以采用較少或較多數(shù)目的道。
本器件的一個(gè)極其有用的應(yīng)用是作為非掃描譜分析儀。器件可作為一個(gè)光譜分析儀或一個(gè)RF譜分析儀使用。對(duì)于RF譜分析，參考圖2，要被分析的輻射輸入束20在進(jìn)入器件30之前通過一個(gè)電-光頻率調(diào)制器36。因此施加到調(diào)制器36的微波信號(hào)50增加頻率分量到輸入波20，輸入波20被延遲線相位陣列41／43以不同的角度(與調(diào)制頻率成比例)折射。
重要的是采用平衡的電-光調(diào)制器36以避免增加高次諧波，并且允許將輸入光束的頻率從遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖樣中移去。通過設(shè)置強(qiáng)度調(diào)制器為無(wú)效，輸入束被強(qiáng)迫只顯示調(diào)制的邊帶。如圖4(b)和4(c)中的譜所顯示的，這里輸入束的頻率已經(jīng)從譜中去掉。
圖5顯示的是對(duì)于在三個(gè)頻率(曲線48，49，50)的輸入激光的情況下，的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖樣的距離為函數(shù)的輸出波導(dǎo)陣列的強(qiáng)度。這里顯示了采用延遲線結(jié)合電-光波導(dǎo)的附加效果。也就是說(shuō)，如果輸入光波長(zhǎng)或頻率變化，以及通過改變施加于波導(dǎo)上的電壓都能控制光束。
圖6顯示的是在強(qiáng)度調(diào)制器36設(shè)置為無(wú)效，對(duì)于三個(gè)不同的RF頻率2GHz、3GHz、和5GHz(分別為曲線51， 52，53)的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖樣的強(qiáng)度掃描。載波光束被壓制而且只有調(diào)制邊帶出現(xiàn)在掃描中。圖7放大比例(任選比例)顯示的圖6所示的強(qiáng)度掃描，也顯示了未調(diào)制信號(hào)(峰54)的強(qiáng)度掃描。如果許多不同的頻率被用來(lái)調(diào)制輸入光束，將在衍射圖樣里同時(shí)觀測(cè)到它們。因此器件并不掃描象傳統(tǒng)的譜分析儀一樣的頻率范圍。
沒有圖2中的光調(diào)制器36，器件本質(zhì)上如同電調(diào)的光譜分析儀一樣操作。它能夠傳送任意高的光學(xué)分辨率，比使用傳統(tǒng)的光柵譜儀可以達(dá)到的要好，傳統(tǒng)譜儀的分辨能力受柵格寬度和間距的限制。其性能也和掃描型Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)干涉譜儀的性能相匹配，但具有能夠以任意數(shù)目輸出道來(lái)分析光譜的優(yōu)點(diǎn)，每道具有非掃描結(jié)構(gòu)并不要求掃描來(lái)測(cè)量譜。
本器件的另一個(gè)應(yīng)用是作為一個(gè)電控的波分復(fù)用／解復(fù)器。這在光纖通訊領(lǐng)域特別有用。波分復(fù)用／解復(fù)器被用來(lái)將許多的波長(zhǎng)緊密排列的激光束混合到一個(gè)光纖上，并在另一端將它們分開。在傳統(tǒng)的波分復(fù)用／解復(fù)器中，這是無(wú)源地實(shí)現(xiàn)的，這意味著為了設(shè)定在所要求的頻率，器件必須高度精確地制造[參見Y．Inoue的文章“Integrated Photonic Research 1996，Conference Proceedings，April 1996，Boston USA，Paper IMC1 pp32-35”以及C．Van Dam等的文章“Integrated Photonics Research 1996，ConferenceProceedings，April 1996，Boston USA，Paper IMC6 pp52-55”]。
本器件可被用做波分復(fù)用器／解復(fù)器，并提供比已知的復(fù)用器更優(yōu)越的性能，在于通過精細(xì)地調(diào)節(jié)施加到電-光波導(dǎo)上的電極上的電壓，有源調(diào)整成為可能。對(duì)中心波長(zhǎng)的有源控制，和對(duì)單個(gè)波導(dǎo)相移的精細(xì)控制在波分復(fù)用器中是很重要的，因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用中以足夠精度制造無(wú)源器件是很困難的。
實(shí)際上，在波分復(fù)用／解復(fù)器中頻率間隔不必太大，通常大約為50-100GHz，與譜分析儀中要求的大約1GHz的典型值相反。這意味著光學(xué)延遲長(zhǎng)度不必像譜分析儀應(yīng)用中那樣長(zhǎng)。比如對(duì)于100GHz的分辨率，最大和最小延遲長(zhǎng)度之差將為800μm。
器件也可用于控制芯片上激光波長(zhǎng)。采用無(wú)源波導(dǎo)延遲陣列的這種器件的各種形式在下文中有所描述M．Zirngibl等的文章“Integrated Photonics Research 1996”，Conference Proceedings，April 1996，Boston USA，Paper MIC6 PP52-55和L．H．Spiekman等的文章“Integrated Photonics Research 1996”，ConferenceProceedings，April 1996，Boston USA，Paper IMC3 ppl136-139。然而，這些器件很難設(shè)計(jì)和制造得足夠精確，以便把波長(zhǎng)設(shè)定在任何要求值上。
對(duì)本發(fā)明的情況，陣列可用做激光腔的一部分作為一個(gè)波長(zhǎng)濾波器。比如，參考圖3，增益區(qū)可以設(shè)置在輸入波導(dǎo)60中，位于n-way分離器40的前面，并且反射鏡(未顯示)可以位于傳播區(qū)。反射鏡設(shè)置成使得它僅把一個(gè)特定頻率的光反射回到延遲線陣列43中，以便于在所選擇的頻率處空腔增益達(dá)到最大值，從而器件在相應(yīng)于反射光頻率的波長(zhǎng)發(fā)射激光，提供腔增益足夠高，通過采用本發(fā)明的電調(diào)器件陣列而不是無(wú)源陣列，可以精確地設(shè)定為任何要求值，其精度在陣列的分辨率極限范圍內(nèi)。典型地，它可能＜100MHz。激光波長(zhǎng)可以保持為常數(shù)或通過調(diào)節(jié)施加到電-光波導(dǎo)上的電極的電壓來(lái)電子調(diào)整，這樣只在一個(gè)波長(zhǎng)向激光腔提供反饋。這種器件對(duì)于產(chǎn)生微波頻率可能特別有用，產(chǎn)生微波頻率要求對(duì)兩個(gè)輸入激光頻率精細(xì)調(diào)整。
在圖3中所示的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例描述的是一個(gè)單片GaAs器件。雖然實(shí)際上將此器件制作在單芯片上更方便，作為一種選擇，延遲線陣列可以設(shè)置在與電偏置波導(dǎo)陣列不同的另一個(gè)芯片上。也可采用其它Ⅲ-Ⅳ族半導(dǎo)體波導(dǎo)技術(shù)，比如說(shuō)InP／InGaAsP。
在本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施例中，器件可以是光纖基器件，其中電-光波導(dǎo)和光纖基元件混合使用。例如，參考圖2，光學(xué)延遲線32可以是具有不同長(zhǎng)度的光纖。同樣地，n-way分離器31可以是光纖元件或玻璃塊。如果使用光纖，使電-光波導(dǎo)形成在鈮酸鋰芯片上而不是GaAs芯片上更好。
參考圖2，器件設(shè)置成使得分割的輸入光束在通過延遲線33之前通過電偏置波導(dǎo)。然而，器件也可以這樣構(gòu)造，即使得相位控制和延遲功能的實(shí)現(xiàn)順序相反，以便在相位控制之前引入延遲功能。例如，在光纖基器件中，這可以通過使得光纖延遲線33位于n路分離器31和電偏置波導(dǎo)32之間實(shí)現(xiàn)。類似地，參考圖3，對(duì)于單片器件，可變的延遲長(zhǎng)度43可以位地于極42之前，以實(shí)現(xiàn)相位控制。
輸入激光(輸入光束產(chǎn)生于此)，電-光調(diào)制器和n路分離器以及移相陣列都設(shè)置在單個(gè)芯片上。這樣作出的器件小、輕而且堅(jiān)固，其尺寸在一定程度上只取決于所要求的道的數(shù)目。
器件很容易工作在寬譜段范圍，受電-光材料以及任何外部延遲線介質(zhì)的透明性限制。目前的GaAlAs技術(shù)能夠覆蓋從0．7μm至10μm的波長(zhǎng)范圍。當(dāng)在輸入端和光學(xué)調(diào)制器件一起使用時(shí)，本器件也能夠進(jìn)行RF譜分析。
如果器件以CW可調(diào)激光束作為輸入使用，器件將能夠電掃描，同時(shí)掃描波長(zhǎng)的小變化，而不需對(duì)器件中使用的移相器作任何調(diào)整。而且，如果線性陣列連接至輸出光纖，而這些光纖作成二維陣列，通過在每個(gè)線性陣列輸入端之間設(shè)置短的延遲可以實(shí)現(xiàn)x-y掃描。線性陣列必須具有很高的波長(zhǎng)靈敏度(采用長(zhǎng)的延遲)以便于當(dāng)超過自由譜范圍(或預(yù)定的掃描角度)時(shí)，下次掃描沿垂直于第一掃描軸做小量位移。
權(quán)利要求
1．一種用于空間分離(空分)主輻射束的頻率分量的器件，包括將主輻射束分成多個(gè)次級(jí)輻射束的裝置，每個(gè)次級(jí)輻射束具有一個(gè)相位φ，多個(gè)電偏置波導(dǎo)形成一個(gè)波導(dǎo)陣列，每個(gè)用來(lái)將次級(jí)輻射束傳播到輸出，其中每個(gè)波導(dǎo)具有一個(gè)有相應(yīng)光學(xué)延遲時(shí)間的相關(guān)光學(xué)延遲線，其中每個(gè)光學(xué)延遲時(shí)間都不同，將可變電場(chǎng)施加到每個(gè)波導(dǎo)的裝置，以便于通過每個(gè)波導(dǎo)傳播的次級(jí)輻射束的相位φ可以通過改變電場(chǎng)加以改變，從而，從每個(gè)波導(dǎo)輸出的次級(jí)輻射束在傳播區(qū)內(nèi)與從至少其它波導(dǎo)之一輸出的次級(jí)輻射束相干涉，以便于形成一個(gè)在傳播區(qū)的不同位置包括一個(gè)或多個(gè)最大值的干涉圖樣，從而器件至少提供兩個(gè)輸出。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，也包括用于將RF調(diào)制施加到主輻射束的裝置。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，形成用于分析主輻射光束的非掃描譜分析儀。
4．根據(jù)權(quán)利要求2所述的器件，形成用于分析主微波輻射束的非掃描譜分析儀。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中每個(gè)相鄰的波導(dǎo)輸出對(duì)以一定的距離分開，該距離與相應(yīng)的相鄰波導(dǎo)對(duì)之間的光學(xué)時(shí)間延遲之差成比例。
6．根據(jù)權(quán)利要求5所述的器件，其中波導(dǎo)在波導(dǎo)陣列上具有基本上呈線性變化的光學(xué)時(shí)間延遲。
7．根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的器件，其中波導(dǎo)陣列上的光學(xué)時(shí)間延遲之差為至少100皮秒。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的器件，其中波導(dǎo)陣列上的光學(xué)時(shí)間延遲之差為至少10納秒。
9．根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中傳播區(qū)是自由空間區(qū)域。
10．根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中傳播區(qū)是板狀波導(dǎo)。
11．根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中電偏置波導(dǎo)是Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體波導(dǎo)。
12．根據(jù)權(quán)利要求11所述的器件，其中電偏置波導(dǎo)是GaAs波導(dǎo)。
13．根據(jù)權(quán)利要求11所述的器件，其中電偏置波導(dǎo)是InP／InGaAsP波導(dǎo)。
14．根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中電偏置波導(dǎo)和相關(guān)聯(lián)的光學(xué)延遲線形成為一體。
15．根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，在單個(gè)芯片上形成。
16．根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中波導(dǎo)陣列包括一個(gè)電偏置波導(dǎo)陣列，每個(gè)電偏置波導(dǎo)具有相關(guān)聯(lián)的光纖延遲線。
17．根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中用于將主輻射束分成多個(gè)次級(jí)輻射束的裝置是多模干涉分離器。
18．根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中每個(gè)電偏置波導(dǎo)具有獨(dú)立的用來(lái)改變通過電偏置波導(dǎo)電場(chǎng)的裝置。
19．根據(jù)權(quán)利要求18所述的器件，其中每個(gè)電可偏置波導(dǎo)有個(gè)獨(dú)立的可變電壓源。
20．根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，進(jìn)而包括一個(gè)或多個(gè)位于傳播區(qū)內(nèi)的輸出波導(dǎo)，以便于所述每個(gè)輸出波導(dǎo)可以接收從一個(gè)或多個(gè)波導(dǎo)輸出的所選擇頻率的次級(jí)輻射束。
21．根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，進(jìn)一步包括具有激光腔的輸入激光器，其中電偏置波導(dǎo)形成激光腔的一部分，使得能夠通過改變施加到每個(gè)波導(dǎo)的電場(chǎng)而有選擇性地調(diào)整激光波長(zhǎng)。
22．一種用于空分主輻射束的頻率分量的方法，包括如下步驟(ⅰ)將主輻射束分成多個(gè)次級(jí)輻射束，每個(gè)次級(jí)輻射束具有一個(gè)相位φ，(ⅱ)通過形成波導(dǎo)陣列的多個(gè)電偏置波導(dǎo)之一傳輸每個(gè)次級(jí)輻射束，其中每個(gè)波導(dǎo)具有相關(guān)光學(xué)延遲線，光學(xué)延遲線具有相應(yīng)的光學(xué)延遲時(shí)間，其中每個(gè)光學(xué)延遲時(shí)間不同，(ⅲ)將可變電場(chǎng)施加到每個(gè)波導(dǎo)上，而且(ⅳ)改變施加到每個(gè)波導(dǎo)的電場(chǎng)，以便可以改變通過每個(gè)波導(dǎo)傳播的次級(jí)輻射束的相位φ，(ⅴ)輸出次級(jí)輻射束到傳播區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)它們可以與其它次級(jí)輻射束中的一個(gè)或多個(gè)干涉，以及(ⅵ)在傳播區(qū)內(nèi)形成干涉圖樣，該圖樣在傳播區(qū)的不同位置包括一個(gè)或多個(gè)最大值。
23．根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括如下步驟(ⅶ)從傳播區(qū)中所述一個(gè)或每個(gè)最大值位置推導(dǎo)出主輸入束中的頻率分量。
全文摘要
一種用于空分主輻射束中的頻率分量的器件,包括:用于將主輻射束分成許多的次級(jí)輻射束的裝置(40),多個(gè)電偏置的波導(dǎo)(41)形成波導(dǎo)陣列,每個(gè)用于傳送一個(gè)次級(jí)輻射束到輸出端,其中每個(gè)波導(dǎo)有一個(gè)具有相應(yīng)光學(xué)延遲時(shí)間的相關(guān)光學(xué)延遲線(43),其中光學(xué)延遲時(shí)間中的每一個(gè)都不相同。該裝置還包括將可變電場(chǎng)施加于每個(gè)波導(dǎo)上的裝置(42),以便可以通過改變電場(chǎng)改變通過每個(gè)波導(dǎo)傳播的次級(jí)輻射束(45)的相位φ。從每個(gè)波導(dǎo)輸出的次級(jí)輻射束在傳播區(qū)域內(nèi)與從至少其它的波導(dǎo)之一輸出的次級(jí)輻射束干涉,以便形成在傳播區(qū)的不同位置包括一個(gè)或多個(gè)極值的干涉圖樣。最好,器件提供至少兩個(gè)輸出。器件也可以包括用于將RF調(diào)制施加于主輻射束的裝置。器件可以包括與相連光學(xué)延遲線一起形成在單個(gè)芯片上的電偏置GaAs。或者,器件可以包括電偏置波導(dǎo)陣列,每個(gè)電偏置波導(dǎo)具有光纖延遲線。器件可以用作光學(xué)或微波頻率的非掃描譜分析儀,用于解復(fù)或復(fù)用輻射束,和控制可調(diào)芯片上激光器的波長(zhǎng)。
文檔編號(hào)G02B6/28GK1283281SQ98812740
公開日2001年2月7日 申請(qǐng)日期1998年10月21日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月28日
發(fā)明者C·M·波伊尼, J·M·赫頓, D·R·懷特 申請(qǐng)人:英國(guó)國(guó)防部