The dynamic range of a coherent optical spectrum analyzer with a liquid crystal spatial modulator at the input with an increase in the number of input signals

For Russian citation (Opticheskii Zhurnal):

Кузьмин М.С., Рогов С.А., Розов С.В. Динамический диапазон когерентного оптического анализатора спектра с жидкокристаллическим пространственным модулятором на входе при увеличении числа входных сигналов // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 6. С. 34–44. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-06-34-44

Kuzmin M.S., Rogov S.A., Rozov S.V. The dynamic range of a coherent optical spectrum analyzer with a liquid crystal spatial modulator at the input with an increase in the number of input signals [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 6. P. 34–44. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-06-34-44

For citation (Journal of Optical Technology):

Abstract:

Subject of study. The paper investigates the dynamic range of a coherent optical signal spectrum analyzer with a liquid crystal spatial light modulator at the input. The purpose of the work. Theoretical assessment of the level of false signals at the output of the spectrum analyzer with an increase in the number of input harmonics and consideration of the possibility of reducing the level of false signals using automatic gain control. Experimental verification of the calculated ratios obtained and measurement of the dynamic range of a spectrum analyzer with a liquid crystal spatial light modulator at the input. Method. The theoretical analysis of the level of false signals in the output signal of an optical spectrum analyzer is carried out on the basis of a representation of the nonlinear dependence of the transmission of a liquid crystal input device in terms of the amplitude of light from the input control signal in the form of a series expansion by power functions in the vicinity of the operating point. The influence of nonlinear expansion terms of the second, third and higher orders on the dynamic range of the spectrum analyzer with a different number of input signals both when using an automatic adjustment system and without it is considered. Experimental studies are carried out using the current layout of the spectrum analyzer. Main results. It has been shown that, with an increase in the number of input harmonics beyond three, which are commonly used in the analysis of devices with nonlinear characteristics, the dynamic range may decrease due to the increased level of spurious signals. To address this issue, it is proposed to implement an automatic gain control system that limits the maximum level of these signals. While the use of automatic gain control may not be practical with a small number of signals at the input of a spectrum analyzer, it has been demonstrated that the values of the dynamic ranges for one, two, and three signals are related by simple ratios. Practical significance. The approach proposed in the work and the results obtained can be used in the analysis of the dynamic range of both spectrum analyzers and other signal processing devices, as well as holographic devices with liquid crystal spatial light modulators.

Keywords:

optical signal processing, coherent optical spectrum analyzer, optical processing devices with spatial integration, liquid crystal light modulator, dynamic range, increasing the number of input signals, automatic gain control

OCIS codes: 070.4560, 070.1170, 070.4790, 070.6120

References:

1. Престон К. Когерентные оптические вычислительные машины / Перевод с англ. В.Г. Страхова и др. М.: Мир, 1974. 400 с.

Preston K. Coherent optical computers. New York: McGraw-Hill, 1972. 315 p.

2. Терпин Т.М. Спектральный анализ сигналов оптическими методами // Труды института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике: ТИИЭР. 1981. Т. 69. № 1. С. 92–108.

Terpin T.M. Spectrum analysis using optical processing // Proc. of the IEEE. 1981. V. 69. № 1. P. 79–92. https://doi.org/10.1109/PROC.1981.11922

3. Гринёв А.Ю., Наумов К.П., Пресленева Л.Н., Тигин Д.В., Ушаков В.Н. Оптические устройства в радиотехнике: Учебное пособие для вузов / Под. ред. В.Н. Ушакова. М.: Радиотехника, 2009. 264 с.

Grinev A.Yu., Naumov K.P., Presleneva L.N., Tigin D.V., Ushakov V.N. Optical devices in radio engineering: A textbook for universities / Ed. by V.N. Ushakov. M.: Radio Engineering, 2009. 264 p.

4. Аронов Л.А., Ушаков В.Н. Спектральный анализ радиосигналов средствами радиофотоники // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2015. Вып. 4. С. 11–15.

Aronov L.A., Ushakov V.N. Microwave signals spectrum analysis by means of microwave photonics // Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2015. № 4. P. 11–14.

5. Грачев С.В., Наумов К.П., Ушаков В.Н. и др. Акустооптические процессоры спектрального типа. М.: Издательство «Радиотехника», 2012. 192 с.

Grachev S.V., Naumov K.P., Ushakov V.N. et al. Acousto-optic processors of spectral type. Moscow: Radiotekhnika, 2012. 192 p.

6. Антонов Ю.Г., Аронов Л.А., Грачев С.В., Ушаков В.Н. Автоматизированный комплекс мониторинга радиотехнической обстановки на основе акустооптического спектрометра-фазометра // Радиотехника. 2009. № 3. С. 92–96.

Antonov Yu.G., Aronov L.A., Grachev S.V., Ushakov V.N. Automated complex for monitoring the radio-technical situation on the basis of an acousto-optical spectrometer-phase meter // Radiotekhnika. 2009. № 3. P. 92–96.

7. Роздобудько В.В., Помазанов А.В., Крикотин С.В., Примак В.П., Буянов А.Б., Шибаев С.С., Новиков В.М. Акустооптический измеритель частотно-временных параметров СВЧ радиосигналов // Специальная техника. 2011. № 3. С. 8–24.

Rozdobudko V.V., Pomazanov A.V., Krikotin S.V., Primak V.P., Buyanov A.B., Shibaev S.S., Novikov V.M. Acousto-optical meter of frequency-time parameters of microwave radio signals // Special Equipment. 2011. № 3. P. 8–24.

8. Анищенко А.В., Рогов С.А., Высоцкий М.Г., Катков Б.Г., Парфенов В.А., Розов С.В., Скороход В.В., Тутыгин В.С., Южаков А.В. Акустооптоэлектронный приемник — анализатор спектра для измерения параметров радиосигналов в реальном масштабе времени // Радиотехника. 2012. № 5. С. 18–24.

Anishchenko A.V., Rogov S.A., Vysotsky M.G., Katkov B.G., Parfenov V.A., Rozov S.V., Skorokhod V.V., Tutygin V.S., Yuzhakov A.V. Acousto-optoelectronic receiver — spectrum analyzer for measuring parameters of radio signals in real time // Radiotekhnika. 2012. № 5. P. 18–24.

9. Зайченко К.В., Гуревич Б.С. Акустооптическая вейвлет-обработка биоэлектрических сигналов // Письма в журнал технической физики. 2022. Т. 48. № 1. С. 36–38. https://doi.org/10.21883/PJTF.2022.01.51877.18988

Zaichenko K.V., Gurevich B.S. Acousto-optic wavelet processing of bioelectric signals // Technical Physics Letters. 2022. V. 48. № 1. P. 27–29. https://doi.org/ 10.21883/TPL.2022.01.52463.18988

10. Hecht D.L. Multifrequency acoustooptic diffraction // IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics. 1977. V. 24. № 1. P. 7–18. https://doi.org/10.1109/T-SU.1977.30905

11. Петрунькин В.Ю., Водоватов И.А. Многочастотная дифракция света на ультразвуке // Изв. вузов. Радиофизика. 1984. Т. 27. № 3. C. 332–340.

Petrun'kin V.Y., Vodovatov I.A. Multifrequency diffraction of light by ultrasound // Radiophys Quantum Electron. 1984. V. 27. № 3. P. 18–224. https://doi.org/10.1007/BF01035041

12. Захарченко С.В., Батурин А.С. Метод нахождения приближенного решения задачи многочастотной акустооптической дифракции // Труды МФТИ. 2013. Т. 5. № 1. C. 44–52.

Zaharchenko S.V., Baturin A.S. Approach to an approximate solution to the multifrequency acoustooptic interaction problem // Proceedings of MPTI. 2013. V. 5. № 1. P. 44–52.

13. Евтихиев Н.Н., Стариков С.Н., Злоказов Е.Ю., Проценко Е.Д., Солякин И.В., Стариков Р.С., Шапкарина Е.А., Шаульский Д.В. Макет инвариантного коррелятора на базе жидкокристаллических пространственно-временных модуляторов света // Квантовая электроника. 2012. Т. 42. № 11. C. 1039–1041.

Evtikhiev N.N., Starikov S.N., Protsenko E.D., Zlokazov E.Yu., Solyakin I.V., Starikov R.S., Shapkarina E.A., Shaulskiy D.V. Model of an invariant correlator with liquid-crystal spatial light modulators // Quantum Electronics. 2012. Т. 42. № 11. P. 1039–1041. https://doi.org/10.1070/QE2012v042n11ABEH015009

14. Su Zhang, Jin Duan, Qiang Fu, Wen-sheng Wang. Infrared zoom lens design based on target correlation recognition and tracking // Proc. SPIE / Optical Design and Manufacturing Technologies. 2015. (15 October) P. 967607. https://doi.org/10.1117/12.2197584

15. Кузьмин М.С., Рогов С.А. Оптический фурье-процессор с жидкокристаллическим устройством ввода информации // Оптический журнал. 2015. Т. 82. № 3. С. 23–29.

Kuz'min M.S., Rogov S.A. Optical fourier processor with a liquid crystal input device // Journal of Optical Technology. 2015. V. 82. № 3. P. 147–152. https://doi.org/10.1364/JOT.82.000147

16. Kuzmin M.S., Rogov S.A. Signal parallel input liquid-crystal devices for multichannel optical processing systems // Optical Memory & Neural Networks (Information Optics). 2016. V. 25. № 2. P. 114–117. https://doi.org/10.3103/S1060992X16020089

17. Гончаров Д.С., Евтихиев Н.Н., Краснов В.В., Пономарев Н.М., Стариков Р.С. Влияние дополнительной фазовой модуляции амплитудных жидкокристаллических ПВМС на характеристики распознавания изображений в инвариантном оптико-цифровом корреляторе // Компьютерная оптика. 2019. Т. 43. № 2. С. 200–209.

Goncharov D.S., Evtikhiev N.N., Krasnov V.V., Ponomarev N.M., Starikov R.S. The influence of additional phase modulation of an amplitude liquid crystal STLM on the image recognition characteristics in the invariant optical digital correlator // Computer Optics. 2019. V. 43. № 3. P. 200–208. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2019-43-2-200-208

18. Давыдов В.В., Кузьмин М.С., Рогов С.А. Об использовании многорастрового ввода одномерных сигналов в двумерных оптических корреляторах // Компьютерная оптика. 2019. Т. 43. № 3. С. 391–396. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2019-43-3-391-396

Davydov V.V., Kuzmin M.S., Rogov S.A. On the use of a multi-raster input of one-dimensional signals in two-dimensional optical correlators // Computer Optics. 2019. V. 43. № 3. P. 391–396. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2019-43-3-391-396

19. Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. Перевод с английского под редакцией Ю.И. Островского. М: Издательство «Мир». Редакция литературы по физике, 1973. 688 с.

Collier R.J., Burckhardt C.B. Optical holography optical holography. New Jersey: Murray Hill, Elsevier Inc., 1971. 605 p. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-181050-4.X5001-X

20. Дьяконов В. Выбор цифровых анализаторов спектра с учетом их нелинейности и измерений уровня // Компоненты и технологии. 2009. № 9. С. 153–161.

Dyakonov V. Choice of digital spectrum analyzers taking into account their nonlinearity and level measurements // Components and technologies. 2009. № 9. P. 153–161.

21. Дюбов А.С., Кузьмин М.С., Рогов С.А. Динамический диапазон когерентного оптического спектроанализатора с жидкокристаллической матрицей для ввода сигналов // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 2. С. 78–88. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022- 90-02-78-88

Diubov A.S., Kuzmin M.S., Rogov S.A. Dynamic range of a coherent optical spectrum analyzer with a liquid-crystal matrix signal-input device [in Russian] // Journal of Optical Technology. 2023. V. 90. № 2. P. 98–104. https://doi.org/10.1364/JOT.90.000098

22. Евтихиев Н.Н., Злоказов Е.Ю., Краснов В.В., Родин В.Г., Стариков Р.С., Черёмхин П.А. Высокоскоростная оперативная реализация голографических и дифракционных элементов с применением микрозеркальных пространственно-временных модуляторов света // Квантовая электроника. 2020. Т. 50. № 7. С. 667–674.

Evtikhiev N.N., Zlokazov E.Yu., Krasnov V.V., Rodin V.G., Starikov R.S., Cheremkhin P.A. High-speed implementation of holographic and diffraction elements using digital micromirror devices // Quantum Electron. 2020. V. 50. № 7. P. 667–674. http://doi.org/10.1070/QEL17295

23. Казанский Н.Л., Хонина С.Н., Карпеев С.В., Порфирьев А.П. Дифракционные оптические элементы для мультиплексирования структурированных лазерных пучков // Квантовая электроника. 2020. Т. 50 № 7. P. 629–635.

Kazanskiy N.L., Khonina S.N., Karpeev S.V., Porfirev A.P. Diffractive optical elements for multiplexing structured laser beams // Quantum Electron. 2020. V. 50. № 7. P. 629–635. http://doi.org/10.1070/QEL17276

24. Кузьмин М.С., Рогов С.А. Влияние нелинейности регистрации спектра в корреляторе совместного преобразования при распознавании одинаковых образов // Оптический журнал. 2017. Т. 84. № 8. С. 64–69.

Kuz’min M.S., Rogov S.A. Effect of spectral recording nonlinearity in a joint transform correlator for recognition of identical patterns // Journal of Optical Technology. 2017. V. 84. № 8. P. 557–561. https://doi.org/10.1364/JOT.84.000557