專利名稱：具有擴(kuò)展溫度可靠性的聲光裝置的制作方法
具有擴(kuò)展溫度可靠性的聲光裝置》扭**本發(fā)明大體來說涉及光學(xué)調(diào)制系統(tǒng)及相關(guān)組件，且更明確地說，涉及聲光調(diào)制器 及使用聲光效應(yīng)來調(diào)制光束的類似裝置。
背景技術(shù)：
聲光調(diào)制器(有時(shí)稱為布拉格盒(Bragg cell))使用射頻下的聲波來衍射光并使 光移位。這些裝置經(jīng)常用于電信系統(tǒng)中的Q開關(guān)、信號(hào)調(diào)制以及光譜學(xué)系統(tǒng)中的激光 掃描及束強(qiáng)度控制、頻移及波長(zhǎng)濾波。許多其它應(yīng)用適于使用聲光裝置。在此類聲光裝置中，壓電變換器(有時(shí)還稱為RF變換器)緊固到作為透明光學(xué) 材料(舉例來說，熔融硅石、石英或類似玻璃材料)的聲光體介質(zhì)。電RF信號(hào)振蕩 并驅(qū)動(dòng)所述變換器振動(dòng)且在所述透明介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生聲波，所述聲波經(jīng)由光彈效應(yīng)影響所 述介質(zhì)中的光學(xué)場(chǎng)的性質(zhì)，其中超聲波的調(diào)制應(yīng)變場(chǎng)耦合到所述聲光體介質(zhì)的折射率。 因此，所述折射率在振幅上的改變與聲音在振幅上的改變成比例。通過移動(dòng)聲光體材料中的壓縮及擴(kuò)張的周期平面來改變所述折射率。傳入光由于 所產(chǎn)生的周期指數(shù)調(diào)制及干涉而散射，類似于布拉格衍射。壓電變換器可產(chǎn)生聲波且光束被衍射成數(shù)個(gè)序數(shù)?？山柚倚盘?hào)使體介質(zhì)振動(dòng) 且使聲光調(diào)制器傾斜，使得將光從平聲波反射成第一衍射序數(shù)以產(chǎn)生高偏轉(zhuǎn)效率。在聲光裝置中，通?？赏ㄟ^以下各項(xiàng)來控制光1)偏轉(zhuǎn)，2)強(qiáng)度，3)頻率，4) 相位，及5)偏振。在使用偏轉(zhuǎn)的聲光系統(tǒng)中，衍射束以取決于光的波長(zhǎng)相對(duì)于來自聲音的波長(zhǎng)的角 度出射。然而，當(dāng)通過強(qiáng)度控制光時(shí)，由聲音衍射的光量取決于聲音的強(qiáng)度以調(diào)制衍 射束中光的強(qiáng)度。在對(duì)光的頻率控制的情況下，與其中光因移動(dòng)平面而散射的布拉格 衍射相比，衍射束的頻率被多普勒移位等于聲波頻率的量。還可能由于保存了光子及 聲子的能量及動(dòng)量而發(fā)生頻移。頻移可從少到20MHz到多達(dá)400MHz而不同或者在 一些情況下甚至具有更大范圍。兩種聲學(xué)波可在材料中沿相反方向傳播且產(chǎn)生不使頻 率移位的駐波。在使用相位控制光的系統(tǒng)中，衍射束可移位聲波的相位。在通過偏振 控制光的系統(tǒng)中，共線橫向聲學(xué)波沿縱向波是垂直的以改變偏振。因此，可發(fā)生雙折 射相移。在許多應(yīng)用中，聲光調(diào)制器是優(yōu)選的，因?yàn)槠浔瓤蓛A斜鏡及其它機(jī)械裝置更快速。 聲光調(diào)制器使現(xiàn)有光學(xué)束移位所花費(fèi)的時(shí)間限制于聲波的轉(zhuǎn)換時(shí)間。聲光調(diào)制器經(jīng)常用于其中激光器以高峰值功率(通常在千兆瓦范圍中)產(chǎn)生脈沖式輸出束的Q開關(guān)中。 此輸出可高于操作連續(xù)波(CW)或恒定輸出模式的激光器。聲光調(diào)制器裝置及類似聲光系統(tǒng)的實(shí)例揭示于共同受讓的美國(guó)專利第4,256,362 號(hào)；第5,923,460號(hào)；第6,320,989號(hào)；第6,487,324號(hào)；第6，538，690號(hào)；第6,765,709 號(hào)；及第6,870,658號(hào)中，所述美國(guó)專利的揭示內(nèi)容以全文引用的方式并入本文中。常規(guī)聲光裝置通常依賴于使用大且昂貴的混合輸出射頻(RF)放大器來提供在所 述裝置的操作中必需使用的必要驅(qū)動(dòng)功率。通常，施加較高的供應(yīng)電壓以適應(yīng)所述混 合輸出射頻放大器的必要輸出截取點(diǎn)。此導(dǎo)致使用額外及/或更昂貴的電源以滿足集成 電路(IC)要求及射頻放大器要求兩者。在常規(guī)聲光裝置的其它應(yīng)用中，設(shè)計(jì)通常并入有一個(gè)或一個(gè)以上單片壓電小板， 所述小板接合到體介質(zhì)以用于向所述體介質(zhì)中發(fā)射超聲應(yīng)變場(chǎng)。在一些實(shí)例中，低順 應(yīng)性合金接合將兩個(gè)組件熔融在一起，從而提供產(chǎn)生較低聲學(xué)損失的界面同時(shí)適應(yīng)所 述小板與光學(xué)體介質(zhì)之間的寬帶阻抗匹配。通過低順應(yīng)性界面耦合的小板與光學(xué)介質(zhì) 的不同熱膨脹系數(shù)(CTE)的組合可導(dǎo)致應(yīng)力，從而引起局部化的剪切CTE膨脹不匹 配誘發(fā)的斷裂及經(jīng)受擴(kuò)展溫度條件的大小板聲光裝置的故障。這些擴(kuò)展溫度條件可在 不可操作狀態(tài)中(即，在耐受性存儲(chǔ)溫度下)或在一些情況下由于高電平信號(hào)條件而 出現(xiàn)。使用聲光裝置的一些關(guān)鍵應(yīng)用調(diào)制光學(xué)束的強(qiáng)度。此調(diào)制可由于在接通及關(guān)斷到 裝置的RF調(diào)制波形時(shí)引入的局部熱瞬態(tài)而產(chǎn)生衍射束輸出角度的小偏向。這些熱瞬 態(tài)可負(fù)面地影響可產(chǎn)生的焦點(diǎn)的分辨率。發(fā)明內(nèi)容一種聲光調(diào)制器包含聲光體介質(zhì)及附接到所述聲光體介質(zhì)的變換器。所述變換器 包含電極電路及附接到所述體介質(zhì)并支撐所述電極電路的多個(gè)壓電小板段。接地平面 定位于所述壓電小板段與所述聲光體介質(zhì)之間。產(chǎn)生小板段而不分離或以其它方式影 響個(gè)別小板段與所述聲光體介質(zhì)之間的共用接地金屬。所述壓電小板段經(jīng)配置用于減 小剪切應(yīng)力及對(duì)因溫度極限所致的斷裂的敏感性。所述電極電路可形成為線性陣列電極，使得每一壓電小板段支撐相應(yīng)電極。變換 器驅(qū)動(dòng)器可由連接到所述電極的多個(gè)放大器形成，使得每一電極由相應(yīng)單個(gè)放大器驅(qū) 動(dòng)以賦予束方向控制。在本發(fā)明的一個(gè)方面中，每一放大器優(yōu)選地形成單片微波集成 電路(MMIC)。所述變換器驅(qū)動(dòng)器可建立由電極賦予的每一波形的振幅及相位。在又一方面中，直接數(shù)字合成器(DDS)電路可向每一小板段輸出任意波形以提 供可執(zhí)行的個(gè)別相位及振幅控制。所述DDS電路可形成為相位累加器及一個(gè)或一個(gè)以 上離散存儲(chǔ)器裝置以及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。所述相位累加器可形成為復(fù)雜可編程邏輯裝 置以為各種存儲(chǔ)器裝置提供地址產(chǎn)生。每一數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)連接到給定存儲(chǔ)器裝置的在濾波之前輸出且輸入到每一放大器的最多IO個(gè)位。因此， 一個(gè)128位動(dòng)態(tài) 隨機(jī)存取(DRAM)存儲(chǔ)器庫(kù)可提供12個(gè)離散輸出通道，所述通道支持到每一相應(yīng)變 換器小板段的個(gè)別相位及振幅偏移。


依據(jù)在根據(jù)附圖考慮時(shí)的下文對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)說明，本發(fā)明的其它目標(biāo)、特征及優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明非限制性實(shí)例的使用用于變換器的線性電極陣列的聲光調(diào)制器 的高級(jí)框圖。圖2是顯示由于根據(jù)圖1中所示的非限制性實(shí)例的變換器及線性電極陣列而產(chǎn)生 的聲譜性能的圖形。圖3是顯示根據(jù)本發(fā)明非限制性實(shí)例的針對(duì)使用圖1中所示的線性電極陣列的聲光調(diào)制器的以度為單位的相位相對(duì)于發(fā)射極相位步長(zhǎng)及頻率的圖形。圖4是根據(jù)本發(fā)明非限制性實(shí)例的類似于圖1的聲光調(diào)制器的另一實(shí)施例且顯示 附接到接地平面及聲光體介質(zhì)的分段式壓電小板陣列的高級(jí)框圖。圖5及圖6是顯示根據(jù)本發(fā)明非限制性實(shí)例的壓電小板在減小之前及在減小以形 成分段式壓電小板之后的片斷圖。圖7及圖8是顯示根據(jù)本發(fā)明非限制性實(shí)例的用于RF調(diào)制及脈沖光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制 以允許對(duì)聲光調(diào)制器的雙相位RF調(diào)制的相應(yīng)非叉指式及叉指式驅(qū)動(dòng)連接的片斷圖。圖9是顯示根據(jù)本發(fā)明非限制性實(shí)例的對(duì)聲光調(diào)制器的雙相位RF調(diào)制的結(jié)果且 顯示聲學(xué)軸及光學(xué)軸的圖形。圖IO是顯示根據(jù)本發(fā)明非限制性實(shí)例的對(duì)聲光調(diào)制器的相位調(diào)制的結(jié)果的圖形。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在，下文將參照其中顯示優(yōu)選實(shí)施例的附圖更加全面地描述不同的實(shí)施例。可 陳述許多不同的形式且不應(yīng)將所描述的實(shí)施例視為局限于本文中所陳述的實(shí)施例。而 是，提供這些實(shí)施例旨在使本發(fā)明將詳盡及完整，且將本發(fā)明的范圍全面地傳達(dá)給所 屬領(lǐng)域的技術(shù)人員。通篇中相同的編號(hào)指代相同的元件。圖1是根據(jù)本發(fā)明非限制性實(shí)例的聲光調(diào)制器20且顯示用于作為聲光調(diào)制器的 聲光裝置24的變換器驅(qū)動(dòng)器22的框圖。圖1中所示的聲光調(diào)制器20克服了常規(guī)聲光 調(diào)制器依賴于大且昂貴的混合輸出RF放大器來提供必需用于裝置的操作的必要驅(qū)動(dòng) 功率的缺點(diǎn)。在這些現(xiàn)有技術(shù)裝置中，適應(yīng)混合輸出RF放大器的必要輸出截取點(diǎn)通 常需要比通常用于電路中的大部分高的供應(yīng)電壓。此導(dǎo)致額外及更昂貴電源中的一者 或兩者來滿足驅(qū)動(dòng)器集成電路(IC)及RF放大器輸出的電力要求及供應(yīng)電壓。用于提供用于聲光調(diào)制器及/或類似裝置操作的RF驅(qū)動(dòng)激發(fā)的當(dāng)前方法通常依賴于使用混合RF放大器來向用于常規(guī)聲光調(diào)制器中的共用壓電電極供應(yīng)充足RF功率以 正確地操作?？俁F驅(qū)動(dòng)功率要求由正被尋求的聲光相互作用的特性確定，其又確定 在相互作用介質(zhì)中必定產(chǎn)生的應(yīng)變場(chǎng)的振幅及幾何范圍。
在許多聲光調(diào)制器中，發(fā)射極(即，電極)驅(qū)動(dòng)功率及操作載波頻率在很大程度 上排除了與脈沖式超聲成像系統(tǒng)一起使用的傳統(tǒng)視頻IC組件的使用。聲光裝置通常需 要能夠獲得比用于診斷超聲成像陣列應(yīng)用的顯著多的電流的低阻抗線性源。在此處所 描述的本發(fā)明實(shí)施例中，需要結(jié)合變換器陣列使用低成本單片RF (MMIC)組件來產(chǎn) 生與發(fā)射極功率及阻抗考慮因素一致的必要光學(xué)相位延遲。用于聲光裝置的其它相位 調(diào)節(jié)陣列方法已集中于依據(jù)使用常規(guī)RF放大器系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)變換器陣列而增加的帶寬 及效率所獲得的聲光相互作用益處上。
根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例，壓電振蕩器(例如，變換器)形成為電極結(jié)構(gòu)26 (圖l)且分解成個(gè)別電極28 (通常還稱為發(fā)射極)的離散線性陣列。每一個(gè)別電極 28由低成本的單片RF放大器30驅(qū)動(dòng)，如所圖解說明。通常將電極28的數(shù)目確定為
與適合的輻射電阻一致，以便限制促進(jìn)使用多個(gè)單片輸出RF放大器所需的最大元件 驅(qū)動(dòng)功率。
由于光與聲音之間的相互作用是整合的效應(yīng)，因此光學(xué)場(chǎng)中所產(chǎn)生的相位延遲的 振幅等效于使用單個(gè)大變換器，只要所有發(fā)射極(即，電極)維持高度同步即可。由 于每一放大器僅供應(yīng)必需RF功率的一部分，因此供應(yīng)電壓也大約減小發(fā)射極(即， 電極)數(shù)目的平方根。另外，常規(guī)變換器電極的總電容不再變?yōu)榭墒褂玫南嗷プ饔脜^(qū) 域的長(zhǎng)度的限制因子，因?yàn)殛嚵性碾娙菁皩?duì)應(yīng)輻射電阻現(xiàn)在與總相互作用長(zhǎng)度無 關(guān)。
此線性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的延伸部分由多個(gè)單片放大器30在結(jié)合作為驅(qū)動(dòng)控制器的直接 數(shù)字合成器(DDS)電路(通常以32圖解說明)使用時(shí)提供，所述驅(qū)動(dòng)控制器可實(shí)時(shí) 地設(shè)定每一發(fā)射極驅(qū)動(dòng)波形的振幅及相位兩者。通過使用低成本DDS IC組件或?qū)Ｓ?相位累加器34及高速存儲(chǔ)器電路36，可對(duì)每一電極28做出精確的相位及振幅調(diào)整， 從而允許將大多數(shù)聲能引導(dǎo)到單個(gè)可控制方向的視軸輻射波瓣。此維持入射光場(chǎng)與聲 場(chǎng)之間的相位匹配且實(shí)現(xiàn)散射效率、偏轉(zhuǎn)線性及高分辨率可調(diào)諧濾波的顯著增益。聲 光調(diào)制器20還可對(duì)光強(qiáng)度實(shí)施純相位調(diào)制，如下文將解釋。
使用用于聲光裝置的相位調(diào)節(jié)陣列方法的一些系統(tǒng)已使用常規(guī)的單個(gè)驅(qū)動(dòng)方法 解決了這些益處，從而經(jīng)由兩個(gè)主要輻射波瓣中的一者或通過使用困難的閃爍過程以 使用到一個(gè)主要波瓣中的雙相位發(fā)射極激發(fā)來產(chǎn)生部分相位匹配。方法既未解決由大 陣列強(qiáng)加的驅(qū)動(dòng)技術(shù)局限性又未解決阻抗局限性。這些系統(tǒng)也未解決控制方向及提供 對(duì)由驅(qū)動(dòng)電路引入的相位誤差的實(shí)時(shí)校正、對(duì)光強(qiáng)度的專用純相位調(diào)制及對(duì)聲學(xué)各向 異性的角補(bǔ)償?shù)哪芰?。其未解決由光學(xué)系統(tǒng)中的幾何不完善性引入的非線性掃描對(duì)頻 率假象。
根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例，系統(tǒng)20結(jié)合線性電極陣列26使用多個(gè)單片RF放大器30，以提供低成本實(shí)施方案并為聲光應(yīng)用提供必要RF驅(qū)動(dòng)波形，同時(shí)還減小必 需供應(yīng)電壓并增加總體可靠性。
驅(qū)動(dòng)器22調(diào)整RF驅(qū)動(dòng)波形的相位及振幅以允許單個(gè)主要聲學(xué)輻射波瓣的加重及 方向控制并提供增強(qiáng)的帶寬、散射效率、純相位調(diào)制。其還對(duì)系統(tǒng)硬件中固有的相位 誤差及非理想掃描假象進(jìn)行校正。
如所描述的驅(qū)動(dòng)器22可直接應(yīng)用于聲光調(diào)制器及相關(guān)組件(包含半導(dǎo)體掩模設(shè) 備供應(yīng)商、激光設(shè)備的初始設(shè)備制造商(OEM)以及不同的技術(shù)及政府客戶所使用的 那些系統(tǒng))的設(shè)計(jì)。其可用于高分辨率及低功率聲光可調(diào)諧濾波器(AOTF)的開發(fā)。
再次參照?qǐng)Dl，其解釋聲光調(diào)制器20的較詳細(xì)的組件。聲光裝置24包含在此實(shí) 例中定位于單片壓電小板40上的線性電極陣列26及聲光體介質(zhì)42。電極20在壓電 小板40上形成于線性陣列中，所述壓電小板經(jīng)由接地平面43連接到聲光介質(zhì)體42。 相位累加器34可形成為快閃復(fù)雜可編程邏輯裝置(CPLD)且作為相位累加器及任意 波形產(chǎn)生器操作。其向具有n輸出的高速存儲(chǔ)器陣列36輸入信號(hào)，同時(shí)還向精密多重 數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC) 44輸入信號(hào)，如所圖解說明。通常，快閃CPLD 34可由含 有用于實(shí)施析取表達(dá)式的邏輯或更專門化的邏輯的宏單元形成。其可由可編程陣列邏 輯(PLA)電路及現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)電路形成。
DAC 44對(duì)如以前所解釋各自連接到單片功率放大器30及相應(yīng)電極28的多個(gè)去 假頻濾波器/增益電路46進(jìn)行輸入。電極28形成連接到壓電小板40及聲光體介質(zhì)42 的離散線性陣列。因此，每一電極由低成本單片RF放大器驅(qū)動(dòng)。可結(jié)合時(shí)鐘同步器 及乘法器電路48使用系統(tǒng)時(shí)鐘以向CPLD 34提供必要時(shí)鐘信號(hào)，所述CPLD還接收 信號(hào)作為高速調(diào)制器輸入50。
每一功率放大器28可形成為高性能MMIC放大器，例如Sirenza (思遠(yuǎn)達(dá))微型 裝置SBB-2089Z電路。此裝置是高性能磷化銦鎵HBT MMIC放大器，其使用達(dá)林頓 配置及有源偏壓網(wǎng)絡(luò)來提供溫度及過程^變化上的穩(wěn)定電流。其可依據(jù)5V供應(yīng)操作。 與典型的達(dá)林頓放大器相比，其不需要降壓電阻器。其具有需要小尺寸及最小外部組 件的高線性5V增益塊應(yīng)用。其在內(nèi)部與50歐匹配。
所述電路可依據(jù)從約50到850 MHz操作且是可級(jí)聯(lián)的并被有源偏壓。其可以具 有^3=42.8 dBm @ 240 MHz的無鉛RoHS順應(yīng)封裝來獲得。其它規(guī)格包含(a) PldB=20.8 dBm @ 500 MHz; (b)單個(gè)固定的5 V供應(yīng)；(c)穩(wěn)健的1000 V ESD， 類別1C; (d)低熱阻；及(e) MSL 1濕氣額定值。
應(yīng)理解，直接數(shù)字合成(DDS)電路可包含不同于所圖解說明的組件的組件，但 基本上將包含時(shí)鐘、相位累加器、存儲(chǔ)器及DAC。在例如供應(yīng)用于下文所描述的雙相 位RF調(diào)制技術(shù)的一些實(shí)施方案中，可結(jié)合一個(gè)或一個(gè)以上時(shí)鐘分布緩沖器IC使用雙 通道或兩個(gè)單DDSIC，以形成兩個(gè)單獨(dú)的叉指式線性變換器陣列，使得每一陣列的相 位可以下文所描述的方式改變。在支持使用向上述變換器陣列饋送的多個(gè)低成本 MMIC放大器的RF驅(qū)動(dòng)器的離散實(shí)施方案中，電子控制器或其它系統(tǒng)可給存儲(chǔ)器填充數(shù)據(jù)，其中每一數(shù)據(jù)項(xiàng)將信號(hào)在瞬時(shí)的振幅表示為二進(jìn)制字。作為相位累加器的計(jì) 數(shù)器可通過從頻率參考在每一脈沖上的遞增而提高，且輸出為相位以選擇數(shù)據(jù)表中的 每一項(xiàng)。DAC將把此數(shù)據(jù)序列轉(zhuǎn)換為模擬波形。
還應(yīng)理解，個(gè)別集成電路(IC)可與整合到個(gè)別核心芯片功能中的元件一起使用
且使用多個(gè)芯片。將相對(duì)于共用時(shí)鐘同步器及乘法器48同步化任何合成器。功率放大 器30可為分布式且用作相位調(diào)節(jié)陣列及相干方法以提供多個(gè)相干RF源。還可使用多 個(gè)直接數(shù)字合成器作為集成電路或組合，這全部均從共用時(shí)鐘導(dǎo)出其共用核心邏輯。
圖2及圖3是顯示圖1中所圖解說明的聲光調(diào)制器20的聲譜及鄰近元件驅(qū)動(dòng)相 位性能的圖形。如前所述，調(diào)制器20使用低成本單片放大器，所述放大器與具有由電 極界定的輻射阻抗的負(fù)載標(biāo)稱地匹配?？傟嚵写笮〔辉偈茏儞Q器總電容的限制，因?yàn)?可通過選擇恰當(dāng)?shù)脑笮硇拚椛渥杩?。因此，并不要求切開或翻轉(zhuǎn)電極來提高 總體輻射電阻以改進(jìn)裝置的電帶寬能力?？蓪?shí)現(xiàn)束方向控制以維持光場(chǎng)與聲場(chǎng)之間的 相位匹配，以在一些情況下可獲得散射效率的呈數(shù)量級(jí)的增加?？蓪?shí)現(xiàn)窄帶頻譜濾波 的改進(jìn)且可能有如下文所描述的針對(duì)熱控制的雙相位RF調(diào)制。系統(tǒng)具有比一些可用 設(shè)計(jì)高的可靠性及簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)。
圖2是圖解說明作為聲光體介質(zhì)的晶體內(nèi)的束方向控制的圖形，所述束方向控制 因改變個(gè)別電極的由DDS驅(qū)動(dòng)電路22產(chǎn)生的相位而發(fā)生。上文所圖解說明及所描述 的驅(qū)動(dòng)器可用于將束方向控制在聲光體介質(zhì)周圍。在零輻射率線右邊的虛線圖解說明 針對(duì)束方向控制描述的功能。
圖3是顯示用于鄰近電極之間的必須以給定頻率施加的相位改變以保持束在光場(chǎng) 與聲場(chǎng)之間匹配的典型值的圖形。
圖4到圖6圖解說明擴(kuò)展此系統(tǒng)的溫度可靠性并使用分段式(變換器)壓電小板 增強(qiáng)在苛刻環(huán)境下的耐受性的聲光調(diào)制器。參照?qǐng)D4到圖6，賦予相對(duì)于圖1描述的 共用元件相同的參考編號(hào)。
常規(guī)聲光裝置通常并入有一個(gè)或一個(gè)以上單片壓電小板，所述小板接合到適合的 透明體介質(zhì)以用于向所述體介質(zhì)中發(fā)射超聲應(yīng)變場(chǎng)。使用通常為所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員 已知的材料來形成這些小板。通常，低順應(yīng)性合金接合將兩個(gè)組件熔融在一起，從而 提供產(chǎn)生低聲學(xué)損失的界面同時(shí)適應(yīng)所述小板與光學(xué)體介質(zhì)之間的寬帶阻抗匹配。通 常包含接地平面。通過低順應(yīng)性界面耦合的小板與光學(xué)體介質(zhì)的不同熱膨脹系數(shù) (CTE)的組合可導(dǎo)致應(yīng)力，從而產(chǎn)生局部化的剪切CTE不匹配且導(dǎo)致大小板及聲光 裝置在經(jīng)受擴(kuò)展溫度條件時(shí)的斷裂及故障。這些擴(kuò)展溫度條件可在不可操作狀態(tài)中 (即，在耐受性存儲(chǔ)溫度下)或由于高電平信號(hào)條件而出現(xiàn)。
用于擴(kuò)展這些聲光裝置在非操作存儲(chǔ)條件期間的耐受性溫度的一些現(xiàn)有技術(shù)方 法使用有源熱阻加熱器或熱電帕爾帖(peltier)裝置來限制關(guān)鍵裝置界面所經(jīng)歷的溫度 變化。在裝置的有源操作期間還使用結(jié)合仔細(xì)的無源熱設(shè)計(jì)的類似方法以最小化允許 變換器操作所處于的溫度極限。圖4到圖6中所示的調(diào)制器具有分解成分段式壓電"瓦片"50陣列的單片壓電變 換器小板。在接合之前在拋光的壓電變換器小板中制成的精細(xì)切口 51在將小板減小到 如圖6中所示的適當(dāng)共振厚度之后顯現(xiàn)為個(gè)別接合的"瓦片"50。應(yīng)理解，可將電極 作為一陣列來個(gè)別地驅(qū)動(dòng)或?qū)⑵潆娺B接在一起并作為單個(gè)單片變換器來驅(qū)動(dòng)。
由于通常將在變換器小板元件與襯底之間的自由邊界處發(fā)生的總差動(dòng)伸長(zhǎng)(因?yàn)?體介質(zhì)由于變換器段的個(gè)別橫向尺寸的減小而更小)，當(dāng)與較大常規(guī)變換器結(jié)構(gòu)相比 時(shí)，因金屬的真空合金化而產(chǎn)生的受約束的邊界積累較小量的剪切應(yīng)力。因此，與形 成接合所處于的溫度相比，在給定溫度極限下，較不可能達(dá)到這些晶體材料的斷裂限 度。
用以擴(kuò)展聲光裝置的溫度可靠性的此方法在性質(zhì)上是無源的，從而在存儲(chǔ)期間不 需要有源系統(tǒng)來增強(qiáng)對(duì)可遭遇的周圍溫度中極值的耐受性。此外，較高功率應(yīng)用(其 因熱產(chǎn)生的應(yīng)力、相關(guān)斷裂及接合分層而減少裝置接合的壽命)也可因在接合界面處 產(chǎn)生的總應(yīng)力的量值的減小而受益。
此結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于聲光調(diào)制器組件，包含各種激光腔裝置及中等功率的、空氣冷卻 的Q開關(guān)裝置。所述結(jié)構(gòu)還可用于空間限定應(yīng)用中。
圖4顯示其中聲光體介質(zhì)42包含分段式電極28及由變換器小板產(chǎn)生的分段式壓 電"瓦片"50的聲光調(diào)制器20。每一電極28及"瓦片式"變換器小板50連接到相應(yīng) 功率放大器30連同圖1中所示及通常由對(duì)應(yīng)于功率放大器及驅(qū)動(dòng)器的塊22表示的其 它電路組件。
圖5顯示減小之前的變換器小板，而圖6顯示減小之后的變換器小板。
通過將變換器小板分段，允許更多的空間用于差動(dòng)膨脹。通過"鋪瓦"裝配的較 小距離減小應(yīng)力的任何"積累"。圖5顯示減小之前的變換器小板使得所述變換器小 板在切割之前可為約0.030到約0.040英寸厚?？稍诩s0.002到約0.003英寸(即，約 50到約75微米)厚的深度處預(yù)界定或預(yù)切割切口，使得可將所述變換器小板減小到 共振厚度，所述共振厚度是所關(guān)注頻率下的約半波長(zhǎng)聲學(xué)厚度。通常，此可如所要厚 度為約20到約50微米。通過將所述切口制成為約50到約75微米厚，當(dāng)所述變換器 小板如圖6中所示減小時(shí)，所述切口將在所要間隔處。
在制造期間，可將大量電位變換器小板切割到約200到約150微米或約0.004英 寸的深度，以確?？墒褂貌煌淖儞Q器小板并可將其減小到共振厚度。
需要在將變換器小板粘合到接地平面或體介質(zhì)之前對(duì)其進(jìn)行切割，因?yàn)槿绻谡?合變換器小板之后制成任何切口，那么可能會(huì)意外地切割到所述接地平面。還可使用 用于小幾何結(jié)構(gòu)的蝕刻離子研磨工藝、掩模或?yàn)R鍍工藝及離子束工藝。還可使用諧波 鋸來獲得約0.003到約0.005英寸的幾何結(jié)構(gòu)。
在制造期間，應(yīng)保護(hù)接地平面。其類似于結(jié)合其它組件的電容器地操作且不應(yīng)被 切割。在一些應(yīng)用中，間隙的大小相對(duì)于小板的大小可為重要的。由于以聲學(xué)衍射圖 案產(chǎn)生側(cè)波瓣，因此可在不合需要的角度中移除能量，除非切口相對(duì)于電極的寬度較小以抵消此類效應(yīng)。
圖7到圖10顯示用于對(duì)光學(xué)波前執(zhí)行聲光強(qiáng)度調(diào)制的RF相位調(diào)制技術(shù)的細(xì)節(jié)。 在圖7及圖8中，以28顯示電極。如在圖1中，變換器小板40及接地平面43附接到 體介質(zhì)42。
對(duì)于使用聲光調(diào)制來調(diào)制光學(xué)束的強(qiáng)度的一些應(yīng)用，因在接通及關(guān)斷到裝置的 RF調(diào)制波形時(shí)引入的局部熱瞬態(tài)而產(chǎn)生衍射束輸出角度的小偏向。這些熱瞬態(tài)可負(fù)面 地影響在操作中產(chǎn)生的焦點(diǎn)的分辨率。
用于穩(wěn)定隨著常規(guī)RF調(diào)制波形發(fā)生的角移位的當(dāng)前方法依賴于局部化的無源熱 方法來最小化晶體(即，聲光體介質(zhì))中所產(chǎn)生的溫度效應(yīng)的量值及幾何變化。已實(shí) 施有源分布式薄膜加熱方法，其需要對(duì)輸入RF驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行有源監(jiān)控及求平均值以 提供補(bǔ)償熱加熱并在變換器處產(chǎn)生平穩(wěn)熱場(chǎng)。
根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例，恒定RF功率的相位調(diào)制的RF波形將所要光學(xué)調(diào) 制賦予聲光裝置，借此消除或大大地減少體介質(zhì)內(nèi)與常規(guī)驅(qū)動(dòng)方法相關(guān)聯(lián)的熱瞬態(tài)的 產(chǎn)生。
根據(jù)本發(fā)明非限制性實(shí)例的系統(tǒng)及方法使用線性電極陣列的相干相位調(diào)節(jié)來更 改聲學(xué)場(chǎng)的角動(dòng)量分布且交替地允許及抑制光學(xué)場(chǎng)與所述聲學(xué)場(chǎng)之間的相位匹配。此
賦予對(duì)光學(xué)波前的所要強(qiáng)度調(diào)制。調(diào)制RF波形將具有恒定的平均包絡(luò)功率，使得可 在很大程度上消除由調(diào)制RF波形的標(biāo)準(zhǔn)接通/關(guān)斷鍵控產(chǎn)生的熱瞬態(tài)。聲光體介質(zhì)內(nèi) 的熱曲線可保持基本平穩(wěn)，因?yàn)樵谧儞Q過程中在每一變換器電極處產(chǎn)生的熱能并不取 決于RF波形的相位。聲光體介質(zhì)內(nèi)由于輻射的聲學(xué)波前的聲學(xué)衰減所致的熱源的效 應(yīng)將在很大程度上以光學(xué)方式整合，因?yàn)槠骄鼒?chǎng)應(yīng)變分布保持基本平穩(wěn)。
所述系統(tǒng)及方法可應(yīng)用于用于半導(dǎo)體制造及檢査中的單通道及多通道聲光調(diào)制 器及相關(guān)聯(lián)組件。明確地說，已在現(xiàn)有32通道聲光調(diào)制器裝置(例如，由Florida (佛 羅里達(dá)州)、Melbourne (墨爾本)的Harris Corporation (哈里斯公司)制造的H-600 型號(hào)系列聲光調(diào)制器)中表征及測(cè)量角偏向。
圖9顯示各向同性聲光相互作用的波向量圖，其中通過在包括具有用以支持入射 光波的有效衍射的必需尺寸的超聲變換器陣列的鄰近變換器元件之間施加180度相移 破壞了具有變換器視軸波向量的正常相位匹配條件。
圖10是顯示當(dāng)變換器元件同相且發(fā)生光的強(qiáng)衍射以及當(dāng)施加交替元件180度雙 相位條件從而最小化現(xiàn)在與入射光相位匹配的聲能時(shí)變換器陣列的所計(jì)算聲學(xué)波向量 頻譜的圖形。通過明智地選擇元件間隔及仔細(xì)地控制相位誤差，在"關(guān)斷"狀態(tài)期間 產(chǎn)生的散射的殘留水平可減小到可接受的水平，通常低于"接通"狀態(tài)水平30 dB。 此對(duì)比度可與因光學(xué)介質(zhì)對(duì)光學(xué)波前的殘留散射而對(duì)于AO調(diào)制通常產(chǎn)生的水平相當(dāng) 或比其更好。
圖7及圖8顯示非叉指式系統(tǒng)(圖7)及叉指式系統(tǒng)(圖8)。應(yīng)理解，針對(duì)兩 個(gè)系統(tǒng)中熱控制的相位調(diào)制將調(diào)整到交替電極的相位。作為聲光變換器，對(duì)兩個(gè)交替區(qū)段進(jìn)行180度的不同相驅(qū)動(dòng)以在聲光體介質(zhì)中產(chǎn)生特定輻射束圖案?？纱嬖诓嬷甘?系統(tǒng)中所示的正及負(fù)連接以及作為接地平面連接的第三連接。
圖9顯示作為K空間圖的圖形。K動(dòng)量向量顯示相位匹配。入射及衍射光學(xué)波向 量在各向同性的聲光體介質(zhì)中圖解說明為K,及Kd。各向同性相互作用允許在圓形內(nèi) 的散射，從而產(chǎn)生光場(chǎng)與聲場(chǎng)之間的相位匹配。
如圖10中所示，當(dāng)如虛線所示電極結(jié)構(gòu)中的交替元件的相位與其鄰近相鄰者被 不同相地驅(qū)動(dòng)180度時(shí)，在中間的約零弧度的波瓣縮小。如在圖IO中的圖形的中心部 分處所示，能量減少約30分貝，從而類似于接通/關(guān)斷散射模式地起作用。因此，可 應(yīng)用交替電極的相位。
如果整個(gè)陣列為同相，那么所得實(shí)線將顯示光散射。因此，所述系統(tǒng)通過改變?nèi)?所描述的相位調(diào)節(jié)陣列系統(tǒng)中的鄰近電極的相位來調(diào)制或"關(guān)斷"。與其中放大器并 非分布式且可能需要較高功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管及較高功率輸出級(jí)的混合放大器系統(tǒng)相 比，此調(diào)制方案直接支持使用較低成本放大器。此通常將需要增加的散熱能力以允許 熱耗散。其還將需要較高的操作電壓，因?yàn)榉糯笃鞯妮敵鼋厝↑c(diǎn)必須為較高。同時(shí)， 可使用一組常規(guī)混合放大器來實(shí)施此調(diào)制方案，其中每一放大器驅(qū)動(dòng)兩個(gè)叉指式變換 器，其各自具有獨(dú)立相位控制，以實(shí)現(xiàn)以上文所描述的方式對(duì)光學(xué)束的調(diào)制。
使用多個(gè)低成本放大器來驅(qū)動(dòng)變換器陣列的額外益處涉及在較大分?jǐn)?shù)帶寬上驅(qū) 動(dòng)大變換器的能力的改進(jìn)。改進(jìn)了由電極界定的輻射阻抗，因?yàn)榭傮w阻抗與電容成反 比。因此，通過允許如前所述的分段式區(qū)，可借助較小區(qū)來降低電容。
權(quán)利要求
1、一種聲光調(diào)制器，其包括聲光體介質(zhì)；變換器，其附接到所述聲光體介質(zhì)且包括電極電路及附接到所述體介質(zhì)并支撐所述電極電路的多個(gè)壓電小板段，其中所述壓電小板段經(jīng)配置用于最小化剪切應(yīng)力及對(duì)因溫度極限所致的斷裂的敏感性；及變換器驅(qū)動(dòng)器，其連接到所述電極電路以用于驅(qū)動(dòng)所述電極電路。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲光調(diào)制器，且其進(jìn)一步包括用于產(chǎn)生所述小板段而 不分離或以其它方式影響個(gè)別小板段與所述聲光體介質(zhì)之間的共用接地金屬的構(gòu)件。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的聲光調(diào)制器，其中所述電極電路包括線性電極陣列。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的聲光調(diào)制器，其中每一壓電小板段支撐相應(yīng)電極。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲光調(diào)制器，其中所述變換器驅(qū)動(dòng)器進(jìn)一步包括向每 一電極輸出任意波形的直接數(shù)字合成器(DDS)電路。
6、 一種聲光調(diào)制器，其包括 聲光體介質(zhì)；壓電變換器，其附接到所述聲光體介質(zhì)且包括附接到所述聲光體介質(zhì)的接地平 面、附接到所述接地平面的多個(gè)壓電小板段及由所述多個(gè)壓電小板段承載的線性電極 陣列，其中所述多個(gè)壓電小板段經(jīng)配置以最小化剪切應(yīng)力及對(duì)因溫度極限所致的斷裂的敏感性；及變換器驅(qū)動(dòng)器，其連接到所述電極以用于驅(qū)動(dòng)所述電極且包括連接到所述電極的 多個(gè)單片微波集成電路(MMIC)放大器及連接到每一MMIC放大器的驅(qū)動(dòng)控制器， 使得每一電極由相應(yīng)的單個(gè)MMIC放大器進(jìn)行相位驅(qū)動(dòng)以建立每一電極驅(qū)動(dòng)波形的相 位及振幅并賦予束方向控制。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的聲光調(diào)制器，其中所述驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)一步包括連接到 每一放大器的直接數(shù)字合成器(DDS)電路。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的聲光調(diào)制器，其中所述接地平面包括所述小板段與所 述聲光體介質(zhì)之間的共用接地金屬。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的聲光調(diào)制器，其中所述共用接地金屬不與所述小板段 分離。
10、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的聲光調(diào)制器，其中每一壓電小板段支撐相應(yīng)電極。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種聲光調(diào)制器，其包含聲光體介質(zhì)及附接到所述聲光體介質(zhì)的變換器。所述變換器包含電極電路及附接到所述體介質(zhì)并支撐所述電極電路的多個(gè)壓電小板段。所述壓電小板段經(jīng)配置用于減小剪切應(yīng)力及對(duì)因溫度極限所致的斷裂的敏感性。
文檔編號(hào)G02F1/01GK101675373SQ200880014609
公開日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2008年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月6日
發(fā)明者彼得·A·瓦西洛斯基 申請(qǐng)人:賀利實(shí)公司