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全像光學元件於光通訊系統中光延遲線(Photonic Delay Lines)應用之設計與研製 (Hologr aphic Optical Elements for Photonic Delay Lines in Communication Systems)
計劃編號 : NSC 89-2215-E-009-012 執行期限：88年8月1日至89年7月31日 主持人：黃遠東 教授 交通大學電子工程系(所) E-mail: huangyt@cc.nctu.edu.tw 關鍵字：全像光學元件、光延遲線、光極化交換元件、相位陣列天線、微波雷達訊號處理
Keywor ds: Holographic Optical Elements, Photonic Delay Lines, Optical Polarization Switches,
Phased-Array Antennas, Microwave Radar Signal Processing
１. 摘要
本計畫是研究和設計之全像光學元件 (Holographic optical elements) 應用於相位陣 列天線中光延遲線。本研究群已發展了全像偏 極化分光元件(Holographic polarization beam splitters)，並在光通訊和磁-光讀寫頭的應用之 中，已經使用全像偏極化分光元件
(Holographic polarization beam splitters)與電光 調制半波片建立的稜鏡光學交換元件所建立 的全像光學交換元件（Holographic optical switch）取代稜鏡光學交換元件。在本計畫中， 設計了合適的全像光學元件結構使用於不同 延遲範圍的光延遲線配合相位陣列天線的應 用，並探討整個系統的架構。緊密性、容易製 造、同軸耦合、容易對準和低價格是使用我們 的全像光學元件之優點。 Abstr act
This project is to investigate and design
suitable holographic optical elements (HOEs) for photonic delay lines in phased-array antenna applications. Our group have developed
holographic polarization beam splitters, and used holographic optical switches built with
holographic polarization beam splitters and electro-optic halfwave plates to replace prism optical switches in optical communication and magneto-optic head applications. For phased array antennas we will design suitable structures
for our holographic optical switches to build photonic delay lines with different delay ranges and the structure of the whole system.
２. 計畫緣由與目的 微波通訊技術日益成熟與普及，無 論在軍事或民生應用上，處處都大量使用到微 波通訊技術。在微波通訊中，時常會使用到相 位陣列天線(Phased-array antennas)。而於相位 陣列天線系統中，相位偏移元件(phase shifters) 或延遲線(delay lines)用以控制陣列天線系統 中各陣列元素(elements)間發射訊號的相位關 係，是不可或缺的。這些元件，除了在微波通 訊及雷達系統(radar systems)應用外，還可應 用在微波儀器及量測系統(microwave
instrumentation and measurement systems)、與 其他工業應用(industrial applications)上。因 此，各種方式的相位偏移元件(phase shifters) 或延遲線(delay lines)被逐部步發展出來，以滿 足各種不同的需求。與電子式處理比較，光延 遲線在微波天線訊號處理(Microwave antenna signal processing) 的應用上具有即時性、可調 整之訊號處理頻寬，以及對於電磁干擾和電磁 脈衝保護等優點。 一般使用於相位陣列天線之光延遲線， 需要使用稜鏡光偏極化分光元件(Prism polarization beam splitters)和電光調制半波片 (Electro-optic halfwave plates)建立的稜鏡光學 交換元件(Prism optical switches)，其完整系統
2 如圖一所示。此系統包括三位元(bits)稜鏡光 學交換元件組成之光延遲線，其各位元之延遲 分別為長時間延遲(long time delay, > 5ns)、中 等時間延遲(moderate time delay, 5ns ~
0.1ns)、短時間延遲(short time delay, < 0.1ns)， 此三位元之光延遲線，足以提供相位陣列天線 系統之各種特性規格。
本研究群已發展了全像偏極化分光元件 (Holographic polarization beam splitters)，且發 展了polarization-dependent及polarization-independent全像光學交換元件(Holographic optical switches)，並使用以此全像偏極化分光 元件與電光調制半波片建立的稜鏡光學交換 元件所建立的全像光學交換元件取代稜鏡光 學交換元件，應用於磁-光讀取頭和光通訊 中。本計畫即是以近年來的研究成果與經驗， 來設計適合於相位陣列天線中光延遲線應用 之全像光學元件結構。在本計畫中，將設計合 適的全像光學元件結構，以使用於不同延遲範 圍，配合相位陣列天線的應用，並探討整個系 統的架構。 3.結果與討論 所開發的長時間（大於 5 ns）延遲線如 圖二所示，這是一個後饋式(Feedback)的光 延遲線 。這個延遲 線是由四個反 射鏡、 兩 個半波 片以 及一 個全像光學 交換 元件 所組 成。 非延遲路徑（ S 極化的路徑）直接通 過兩塊半 波片及 全像光學交 換元件， 而 延 遲路徑（P 極化的路徑）則是在繞射之 後 經過 d1、d2、d3、d4 與 d5，再回到全像光 學交換元 件再繞 射回原路徑 。因此 ， 四 個 半波片 的位 置與 距離是用來 決定 延遲 的時 間。 中等時間（小於 5 ns）的光延遲線如圖 三所示 ，它也是一 個後饋式的光 延遲線。 但是，它的延遲 與非延遲路徑 ， 都 是在 元 件的內部 之中構 成。所以 ，這 個光 延遲 線 不使用自 由空間 來決定延遲 時間的 長短。 因此，整個 延遲 的功能都可 以在一 個元件 之中完 成。再 加上 全像光 學元 件擁 有可 以 緊密靠緊 的特性 ，整個延遲 系統 就可 以在 一個元件 之中完 成。所以 ，它 的穩 定性 將 會比採用 三菱鏡 來設計要穩 定得多。 這 個 中等時間 的光延 遲線的結構 ，是 由兩 塊各 貼有一 層全 像光 柵的玻璃與 一個 半波 片組 合而成 。這 兩塊 玻璃貼有全 像光 柵的 一面 是相鄰 的，在 這兩 層全像 光柵 的中 間夾 著 一塊半波 片。 由於非延遲路 徑（ S 極化的 路徑）是 直接通 過這整個元 件， 而 且延 遲 的路徑（P 極化的路徑）也包含了非延 遲 的路徑 。所以 ，延 遲時多 走的 距離 為４ 倍 的繞射長度（1.325d）。因此，光束經過這 一個距 離所 需的 時間，就 是這 個元 件的 延 遲時間 。如 果這 個元件所需 要的 延遲 時間 為 1 ns，則玻璃的厚度只需要 3.8 cm 即可。 短時間（小於 0.1 ns）的光延遲線如圖 四所示 。它具 有與 中等時間的 光延 遲線 相 同的性 質。這 個光 延遲線 不使 用自 由空 間 來決定 延遲 時間 的長短。因此 ， 整 個延 遲 的功能都 可以在 一個元件之 中完成。 這 個 特性使得 它也會 具有緊密的 完整結 構。 它 的結構 是由 兩個 半波片與兩 塊兩 側各 貼有 一層全像 光柵的 玻璃所組成 ，每 一塊 玻璃 兩側的全 像光柵 都成互補的 形式。 由 於非 延遲路徑（S 極化的路徑）是直接通過 這 整個元件，所以路徑長度為 2d。而延遲的 路徑（P 極化的路徑）在元件之中所經過 的路徑長度為 2×1.325d。在延遲的路徑之 中多走的距離為 2×(1.325-1)×d，所以光 束經過這 一個距 離所需的時 間， 也 就是 這 個元件的 延遲時 間。如果 這個 元件 所需 要 的延遲時間為 10 ps，則玻璃的厚度只需要 3 mm 即可。 採用全像光學交換元件設計光延遲 線時，可以使光延遲現系統具有緊密性、 容易製造、同軸耦合、容易對準、低價格 和節省大量空間的特性。
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4. 參考文獻
[1] S. J. Lin and R. S. Boughton, ``Acoucto-optic multichannel programmable true time delay lines,'' Optical Technology for Microwave Applications IV, S.-K Yao, ed., Proc. SPIE 1102, pp. 162--173, 1989.
[2]L. Xu, R. Taylor, and S. R. Forrest, ``True time-delay phased-array antenna feed system based on optical heterodyne techniques,'' IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 8, pp. 160--162, 1996.
[3]N. Madmopoulos and N. A. Riza, ``Directly Modulated Semiconductor-Laser-Fed Photonic Delay Line with Ferroelectric Liquid Crystals,'' Appl. Opt., vol. 37, pp. 1407--1416, 1998.
[4] Y.-T. Huang and Y.-H. Chen, `` Optical Switches with a Substrate - Mode Grating
Structure,'' Optik, vol. 98, no. 1, pp. 41-44, Nov. 1994.
[5]Y.-T. Huang, "Polarization-Independent Optical Switch Composed of Holographic Optical Elements," Optics Letters, vol. 20, no. 10, May 15 1995.
[6]Y.-T. Huang, “Polarization Beamsplitter with A Substrate-Mode Holographic Structure,” Patent, 09/198,176, U.S.A. Sept. 1995. [7] Y.-T. Huang, “Reversible Optical Switches
Using Substrate-Mode Holograms,” Patent, 088818, R.O.C., Jan. 1994.
[8] J.-S. Deng and Y.-T. Huang, “Moderate- and Short-Time Photonic Delay Lines with
Holographic Optical Elements,” Appl. No. 038155, R.O.C., Dec. 1999. S S × × × d1 d5 S × × × 半 波 片 半 波 片 PBS 反射鏡 P d d3 d4 半 波 片 反射鏡 PBS PBS 半 波 片 P d d3 d1 S S d2 d4 dglass 半 波 片 PBS 2 半 波 片 反射鏡 PBS 玻璃 S P d 長時間延遲 中等時間延遲 短時間延遲 S 圖一 採用稜鏡光偏極化分光元件設計的完整光延遲線系統圖。
4 holographic grating d5 d1 d2 substrate holographic grating halfwave plate halfwave plate d4 d3 mirror mirror mirror mirror P d S S 圖二 使用全像光學交換元件元件設計之長時間光延遲線。 substrate P S holographic grating total reflection total reflection Halfwave plate substrate S S S holographic grating d d 圖三 使用全像光學交換元件設計之中等 時間光延遲線。 S substrate holographic grating halfwave plate halfwave plate substrate holographic grating S P P d d holographic grating S S 圖四 使用全像光學交換元件設計之短 時間光延遲線。
