بخشی از مقاله
طراحی درایور مدولاتور آکوستواپتیک
چکیده
در یک مدولاتور آکوستواپتیکی سیگنال نوری ورودی بـا فرکـانس f op بـه انـدازه فرکـانس سـیگنال RF ورودی شـیفت فرکانس پیدا کرده و از سوی دیگر خارج میشود. به منظور راه اندازی ماژولهای مدولاتورهای آکوستواپتیکی میبایسـت بـه آنها سیگنالی RF با فرکانسی برابر با شیفت فرکانسی مورد نظر در سـیگنال نـوری و تـوان مناسـب اعمـال شـود. درایـور مدولاتور آکوستواپتیکی وظیفه تولید سیگنالهای RF مورد نیاز را بر عهده دارد. این درایورها به صورت کلی دارای بخـش-های تولید سیگنال با فرکانس RF، تقویتکننده RF و کلیدزنی هستند. در ایـن مقالـه طراحـی مفهـومی درایـور مـدولاتور آکوستواپتیکی بیان شده و بخش تولید سیگنال با فرکانس RF به عنوان اصلیترین بخش بررسی میشود.
کلمات کلیدی: مدولاتور آکوستواپتیک، سیگنال RF، تقویت کننده RF، حلقه قفل فاز، سنتز مستقیم دیجیتال، نویز فاز
.1مقدمه
نور و صوتشناسی یا آکوستو-اپتیک (Acousto-optics) شاخهای از فیزیک است که به بررسی برهم کنش امواج نوری امواج صوتی و به خصوص پراش لیزر به وسیله امواج صوتی میپردازد. درست مانند اپتیک، آکوستیک نیز تاریخچهای طولانی دارد که به زمان یونانیان باستان باز میگردد. این زمینه از علم با پیشبینی بریلوئن در مورد پراش نور بوسیله امواج صوتی منتشر شده در ماده در سال 1922 میلادی آغاز شد. این پیشبینی ده سال بعد توسط دبای و سیرز و همچنین لوکاس بیکارد آزمایش و تایید شد .[1]
مورد خاص پراش مرتبه اول تحت یک زاویه فرود خاص (که بریلوئن هم پیشبینی آن را کرده بود) برای اولین بار توسط ریتوف دیده شد. رامان و ناف در سال 1937 یک مدل عمومیتر را طراحی کردند که پراشهای مرتبه بالاتر را آشکار کند. این مدل بعدها در سال 1956 توسط فریزو توسعه پیدا کرد. مدل وی قابل تنظیم بر مرتبه پراشی مشخص بود. اساس نور و صوتشناسی، تغییر ضریب شکست به خاطر حضور موج صوتی در مادهاست. موج صوتی یک شبکه ضریب شکست در ماده به وجود میآورد و این شبکه توسط موج نوری "دیده" میشود. تغییر ضریب شکست که به خاطر نوسان فشار ایجاد شده، به وسیله آثار شکست نور، بازتاب نور، تداخل و پراش قابل شناسایی است .[2] درون یک مدولاتور آکوستواپتیک، موج آکوستیکی بوسیله یک سیگنال فرکانس رادیویی ((RF)radio frequency) مطابق با مدولاتور آکوستواپتیک تأمین می-شود و بوسیله درایور مدولاتور آکوستواپتیک کنترل میشود. این درایور مطابق با شکل1 به مدولاتور متصل میشود :[3]
علاوه بر کاربردهای مخابرات دیجیتال باند پایه در فواصل طولانی، سایر استفادههای مدولاتورهای نوری و درایور مربوطه :[4] حلقههای محلی، انتقال و توزیع در شبکههای آنالوگ و دیجیتال سیستم تلویزیون کابلی، لینکهای زیرحامل-های آنالوگ، مخابرات دادههای دیجیتال، دستگاههای اندازهگیری و ابزار دقیق آنالوگ، حسگرها و مبدلها و آرایه حسگرهای فیبر نوری آکوستیکی و مغناطیسی. در یک مدولاتور آکوستواپتیکی از یک سو پرتوی نوری با فرکانس f op و سیگنال RF با فرکانس f RF وارد شده و از سوی دیگر پرتوی اپتیکی با فرکانس شیفت یافته به اندازه خارج میشود. شیفت فرکانسی میتواند مثبت و یا منفی باشد و علامت آن به جهت پرتوی نوری ورودی و خروجی وابسته است. توان نوری خروجی وابسته به توان RF ورودی میباشد. بنابراین به منظور راه اندازی ماژولهای مدولاتورهای آکوستواپتیکی میبایست به آنها سیگنال RF با فرکانسی برابر با شیفت فرکانسی مورد نظر در سیگنال نوری و توان مناسب اعمال شود. از نظر عملکردی این سیگنال RF میبایست قابلیت سوئیچ زنی داشته باشد تا در صورت نیاز بتوان نور خروجی مدولاتور را به صورت پالسی در آورد. با توجه به نیاز آرایه-های حسگرهای فیبر نوری، ماژول بهینهای که از عهده انجام این عملیات بر میآید میبایست این تواناییها را داشته باشد: تولید فرکانسهای 100MHz و 110MHz با توان قابل تنظیم تا 2W در بار 50، قابلیت کلیدزنی سیگنالهای RF توان بالا (قابل کنترل توسط تریگر خارجی)، خروجی دو سیگنال متعامد با فرکانس 10MHz سنکرون با اختلاف فرکانس RF با سطح ولتاژ قابل ارائه به مدارات دیجیتال. در این مقاله طراحی مفهومی انجام شده برای درایور مدولاتور آکوستواپتیکی به صورت جدولی از مشخصات و یک طرحواره از کل سامانه ارائه میشود. در ادامه به بررسی و مقایسه دو روش سنتز فرکانس دقیق پرداخته میشود. این روشها عبارتند از روشهای مبتنی بر حلقه قفل فاز (PLL) و روشهای مبتنی بر سنتز مستقیم دیجیتال(.(DDS در نهایت نتایج حاصل از این بررسیها در بخش نتایج بیان میشوند .[5-8]
.2 طراحی
همانطور که بیان شد درایور مدولاتور آکوستواپتیکی باید قابلیت تولید دو سیگنال RF با فرکانس و توان مناسب را داشته باشد. این درایور باید توانایی کلیدزنی این سیگنالها را هم داشته باشد. علاوه بر دو سیگنال RF باید سیگنالی با فرکانسی برابر با اختلاف فرکانس دو سیگنال RF و سنکرون با آنها هم به خروجی داده شود. با توجه به این نکات، مشخصات درایور مدولاتور آکوستواپتیکی مطابق جدول1 است.
با توجه به مشخصات مطرح شده برای درایور مدولاتور آکوستو اپتیکی، طرحوارهای مطابق با شکل2 برای آن پیشنهاد میگردد. همانطور که در شکل مشخص است در این طراحی، درایور مدولاتور آکوستواپتیکی شامل این بخش-هاست:
• تولید سیگنالهای 100MHz و 110MHz
در این بخش دو سیگنال مورد نظر برای راهاندازی AOMها با فرکانسهای 100MHz و 110MHz تولید میشوند. در مورد روشهای تولید این سیگنالها در بخش بعد صحبت میشود.
