способ увеличения эффективности оптоэлектронного цифроаналогового линейного преобразования сигналов

Формула изобретения

Способ увеличения эффективности оптоэлектронного цифроаналогового линейного преобразования сигналов, содержащий процесс ввода через призму параллельного светового потока S_о, образованного точечным лазерным источником излучения, в планарный оптический волновод под углом падения 74^o, отличающийся тем, что он содержит процесс распространения светового потока по планарному волноводу посредством полных внутренних отражений, при этом полное внутреннее отражение светового потока на верхней поверхности планарного волновода обеспечивают образованием достаточной разницы между показателями преломления волновода и второй верхней подложки, а на нижних поверхностях планарного волновода посредством изменения показателя преломления слоя жидкости кристалла выполняют процессы управляемых полных внутренних отражений поступающего светового потока: если не подано напряжение входного сигнала на прозрачные разрядные электроды, соответствующее нулевому значению, то весь световой поток полностью отражается полным внутренним отражением, или если подано напряжение на разрядные прозрачные электроды, соответствующее единичному значению входного сигнала, то через слои жидкого кристалла проходит вначале половина, затем четверть и т.д. светового потока согласно S_о2^-i, где i=1,2,. ..,n, n - число разрядов, которые поглощаются светопоглощающим слоем, а оставшаяся часть светового потока, падающая на стеклянные пластины, отражается полным внутренним отражением, и процесс вывода с конца планарного волновода преобразованного обратным кодом входного сигнала светового потока S₁.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемый способ относится к области оптоэлектронной информационной технике и может быть использован для построения систем отображения информации и преобразующих устройств.

Известны способы оптоэлектронного и цифроаналогового преобразования сигналов, например способы, рассмотренные в книгах: Суэмацу Я. и др. Основы оптоэлектроники. - М.: Мир, 1988, стр. 46, 256-259; А.А. Васильев и др. Пространственные модуляторы света - М.: Радио и связь, 1987, стр. 52 - 124; О. Н. Лебедев и др. , Микросхемы памяти, ЦАП и АЦП, М., Кубк-а, 1996, стр. 161-355; Marshall A., Optical Waveguide Display System, U.S. Patent 5596671 от 01.1997; Haijun Yuan, Demonstration of a Waveguide Based Liguid Crystal Display, Kent State University, USA, 1998.

К ближайшему аналогу можно отнести способ описанный в последнем из перечисленных источников материале Haijun Yuan, Kent State University. Аналог имеет следующие недостатки:

1. Малая эффективность преобразуемого оптического сигнала из-за необходимости выбора квазилинейного участка входно-выходной характеристики;

2. Низкая точность преобразования входного электрического сигнала в оптический сигнал.

Эти недостатки обусловлены способом непосредственного электрооптического модулирования световых потоков электрическим аналоговым коммутируемым видеосигналом (см. фиг. 8).

Целью предлагаемого изобретения является увеличение эффективности преобразования электрического цифрового видеосигнала в оптический аналоговый сигнал с большой точностью.

Для достижения цели предлагаемый способ содержит: процесс ввода через призму параллельного светового потока S₀, образованного точечным лазерным источником излучения, в планарный оптический волновод под углом падения 74^o; процесс распространения светового потока по планарному волноводу посредством полных внутренних отражений, при этом полное внутреннее отражение светового потока на верхней поверхности планарного волновода обеспечивают образованием достаточной разницы между показателями преломления волновода и второй верхней подложки, а на нижних поверхностях планарного волновода идет процесс управления полными внутренними отражениями всего поступающего светового потока: если не подано напряжение на разрядные прозрачные электроды, соответствующее нулевому значению данного разряда входного сигнала, то выполняется процесс полного внутреннего отражения всего светового потока, или если подано напряжение на разрядные прозрачные электроды, соответствующие единичному значению входного сигнала данного разряда, то через слои жидкого кристалла вначале пропускается половина, затем четверть и т.д. светового потока согласно S₀2^-i, где i=1,2,...,n, n - число разрядов, которые поглощаются светопоглощающим слоем, а оставшаяся часть светового потока, падающая на стеклянные пластины, отражается полным внутренним отражением; и процесс вывода с конца планарного волновода, преобразованного (промодулированного) обратным кодом входного сигнала выходного светового потока S₁.

Изложенная сущность поясняется вариантом реализации способа устройством, изображенным на чертежах, где:

на фиг. 1 изображен вариант устройства, содержащий: первую стеклянную подложку 1 с показателем преломления n₂, вторую стеклянную подложку 2 с показателем преломления n₂, призму 3 с показателем преломления n₁, планарный волновод 4 с показателем преломления n₁, причем n₁>n₂ прозрачные разрядные электроды на второй подложке 5, покрытые стеклянным слоем с показателем преломления n₂, прозрачные разрядные электроды на первой подложке 6, слои жидкого кристалла 7, стеклянные пластины 8 с показателем преломления n₂, светопоглощающий слой 9;

на фиг. 2 изображены соотношения площадей слоя жидкого кристалла и стеклянной пластины, которые зависят от номеров разряда входного сигнала а₁, a₂, а₃, а₄, a₅;

на фиг. 3 изображена схема формирования параллельного светового потока, содержащая полупроводниковый лазер 10 или галогенную лампу и параболическое или сферическое зеркало 11;

на фиг. 4 изображен вариант устройства преобразования цифрового электрического сигнала в оптический аналоговый сигнал в трех проекциях, где дополнительно изображены планарные стеклянные перегородки 12 в виде волновода с показателем преломления n₂;

на фиг. 5 изображен вид сверху и поперечное сечение варианта устройства без второй подложки, где 13 - контактные площадки прозрачных разрядных электродов на первой подложке;

на фиг. 6 изображен вид сверху и поперечное сечение первой подложки с прозрачными разрядными электродами 13;

на фиг. 7 изображен вид снизу и поперечное сечение второй подложки с прозрачными разрядными электродами 14;

на фиг. 8 изображена схема аналога-прототипа, где 15 - электронный цифро-аналоговый преобразователь, 16, 17, 18 - электронные ключи, 19, 20, 21 - электрооптический аналоговый модулятор света; на фиг. 8 обозначены:

X - входной сигнал в виде электрического двоичного кода,

Y - электрические управляющие сигналы,

R - исходный световой поток, R₁, R₂, R₃ - промодулированные световые потоки,

N - число выходов.

Вариант устройства, реализующий предлагаемый способ, функционирует следующим образом.

Приблизительно параллельный световой поток заданной мощности S₀ вводят через призму 3 в планарный оптический волновод 4 под углом падения 74^o.

Введенный световой поток распространяется по планарному волноводу посредством полных внутренних отражений, для чего выбирают материал планарного волновода 4 с показателем преломления n₁, материалы первой и второй подложки 1, 2, стеклянных пластин 8 с показателем преломления n₂, разность n₁-n₂ которых обеспечивает условие полного внутреннего отражения света. Для устранения влияния электродов на отражение света их помещают вглубь подложки 2, покрыв стеклянным слоем с таким же показателем преломления n₂.

Преобразование входного электрического цифрового сигнала в оптический аналоговый сигнал осуществляется посредством последовательного гашения (отвода и ликвидации) светового потока по правилу S₀2^-i, где i=1,2,...,n, n - число разрядов, для чего каждый разряд, начиная со старшего разряда со стороны оптического входа, входного электрического двоичного сигнала a₁, a₂, a₃, a₄, a₅ в виде напряжения U, определяемого равенством



где U_m - амплитуда импульса напряжения, подают на прозрачные разрядные электроды 5, 6 так, чтобы образованное электрическое поле было перпендикулярно направлению распространения светового потока. Такое электрическое поле увеличивает показатель преломления слоя жидкого кристалла n_3,1 до выполнения условия n_3,1n₁, при котором световой поток, падающий на поверхность слоя жидкого кристалла 7, проходит через него и поглощается светопоглощающим слоем 9. Световой поток, падающий на поверхность стеклянной пластины 8 отражается полным внутренним отражением. Это соответствует единичному значению данного разряда входного сигнала a_i=1. В случае поступления нулевого сигнала a_i= 0, напряжение на электроды 5, 6 данного i-то разряда не подается и показатель преломления слоя жидкого кристалла n_3,0 будет оставаться низким, т. е. n_3,0=n₂, и весь световой поток отражается полным внутренним отражением.

Таким образом, световой поток S₁ на выходе планарного волновода имеет величину, уменьшенную на величину светового потока, соответствующую числу входного сигнала, от первоначальной величины светового потока S₀, поэтому для обеспечения прямой пропорциональности входной цифровой сигнал подают в обратном коде и выходной сигнал будет определяться равенством:



Такой способ цифроаналогового преобразования обеспечивает большую эффективность с точностью 2^-n.

Работоспособность варианта устройства в реализации предлагаемого способа подтверждают результаты экспериментальных исследований.