DE1589075C - Nichtreziproker elektrooptischer Lichtmodulator - Google Patents
Nichtreziproker elektrooptischer LichtmodulatorInfo
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Description
1 2
Die Erfindung betrifft einen elektrooptischen Licht- befindet sich ein Mikrowellcnübergangsstück, das die
modulator mit einem zwischen einem Polarisator Polarisationsebene des MikrowcHcnfcldcs um 1K)
und einem dazu gekreuzten Analysator liegenden dreht. Die Kristalle sind in der aus F i g, 1 ersichtlichen
Wellenleiter, in dem mindestens ein doppelbrechender Weise orientiert, wobei die Achsen .v, y und ζ die-
Kristall vom KDP-Typ angeordnet ist, dessen Längs- 5 jenigen des Indexellipsoids sind. Die x-Achse des
achse mit der Wellenleiterachse und der Fortpflan- einen Kristalls und die y-Achse des anderen Kristalls
zurigsrichtung des Lichtes zusammenfällt und dessen verlaufen parallel zur.Lichtfortpllanzung. Die Kristalle
optische Achse parallel zu dem elektrischen Feldvektor sind so orientiert, daß dielektrischen Vektoren der
einer sich in dem Wellenleiter mit gleicher Phasen- Mikrowellenfelder senkrecht zur Lichtfortpflanzung
geschwindigkeit wie das Licht fortpflanzenden Mikro- I0 und parallel zu der jeweiligen z-Achse (optischen
welle verläuft·. Achse) der Kristalle verlaufen. Die verwendeten
In der deutschen Patentschrift 1 277442 ist ein Kristalle haben doppelbrechende Eigenschaft, wobei
elektrooptischer Lichtmodulator vorgeschlagen wor- ihr Brechungsindex in Richtung der z-Achse unden,
mit dem die Resonanzschärfe eines Lasers be- abhängig von der elektrischen Feldstärke ist, während
einfiußt werden kann. Die Anordnung kann aber i5 in den beiden anderen Achsenrichtungen Doppelauch
sonst als Lichtverschluß oder Modulator dienen. brechung unter der Einwirkung elektrischer Felder
Diese Anordnung ist reziprok, weil ein elektrisches auftritt. ·
Gleichfeld zur Beeinflussung der optischen Achse Die hier verwendeten Kristalle sind optisch einder
Kristalle verwendet wird. Es ist ferner fein Licht- achsig, d. h., die Lichtfortpflanzung längs einer bemodulator
bekannt, bei dem ein doppelbrechender 20 stimmten Achse, der optischen Achse (z-Achsc),
Kristall vom KDP-Typ einem Wellenleiter so an- ist unabhängig von der Polarisationsrichtung des
geordnet ist, daß der elektrische Vektor des Mikro- einfallenden Lichtstrahls. Der elektrooptische Effekt
. wellenfeldes, die optische Achse des Kristalls, die in Kristallen, kommt durch eine induzierte Doppel-Ausbreitungsrichtung
der Mikrowelle und die des brechung zustande, die. bei Einwirkung eines elek-Lichtes
parallel zueinander verlaufen und bei der die 25 trischen Feldes längs einer bestimmten Kristallachse
Phasengeschwindigkeit der Mikrowelle der Ausbrei- zustande kommt. Die Doppclbrechung beruht betungsgeschwindigkeit
des Lichtes angeglichen ist. kanntlich auf der Anisotropje der Brechungsindizes.
Dieser bekannte Modulator wird mit einer stehenden Doppelbrechende Kristalle werden am besten durch
Mikrowelle im TM-Modus betrieben. das Fresnelsche Ellipsoid beschrieben, dessen Haupt-Bekannte
nichtreziproke Lichtsteuervorrichtungen 30 «achsen proportional zu den Hauptbrechungsindizes
beruhen auf dem magnetooptischen Faradäyeffekt, des Kristalls sind. In einachsigen Kristallen sind zwei
der Phasen- und Polarisationsänderungen, hervor- Hauptbrechungsindizes gleich, so daß das Fresnelsche
rufen kann. Damit lassen sich optische Umschalter Ellipsoid ein Rotationsellipsoid darstellt. Deshalb
und Ausschalter bauen. Diese Vorrichtungen haben tritt Für einen senkrecht zur Ebene der beiden gleichen
aber den Nachteil, daß die Erzeugung magnetischer 35 Brechungsindizes verlaufenden Lichtstrahl keine Pop-Felder
umfangreiche Hilfsvorrichtungen benötigt, pelbrechung auf. Diese Fortpflanzungsrichtung be-
Der Lichtmodulator nach der Erfindung zeigt stimmt die optische Achse des Kristalls. Kristalle
ebenfalls nichtreziprokes Verhalten, doch sind bei mit drei verschiedenen Hauptbrechungsindizes sind
ihm die Nachteile der bekannten^ nichtreziproken zweiachsig, haben also zwei optische Achsen. Der
Lichtsteuervorrichtungen erfindungsgemäß dadurch 40 elektrooptische Effekt in Kristallen beruht nun darauf,
vermieden, daß der im TE-Modus betriebene Wellen- " daß normalerweise einachsige Kristalle zweiachsig
leiter zwei Abschnitte aufweist, die mittels eines die werden, wenn ein elektrisches Feld parallel zur ·
Polarisationsebene der fortschreitenden Mikrowelle optischen Achse angelegt wird. Die vorher gleichen
um 90° um die gemeinsame Achse drehenden über- Brechungsindizes in Richtung der x-Achse und der
gangsstücks verbunden sind, und daß sich in den 45 y-Achse werden also verschieden, wenn ein elektrisches
beiden Wellenleiterabschnitten gleichachsig angeörd-- Feld in Richtung der z-Achse auftritt. Dadurch kann
nete Kristalle befinden, deren Länge jeweils gleich die Polarisation des durch den Kristall gehenden
der halben Mikro.wellenlänge ist und deren optische Lichtstrahls moduliert oder gesteuert werden. Die
Achsen "senkrecht zu der gemeinsamen Längsachse Drehung der Polarisationsebene läßt sich mittels
und senkrecht zueinander verlaufen. 50 eines optischen Analysators in Intensitätsschwan-
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der. kungen umsetzen. Durch Wahl geeigneter Abmes-
Zeichnung erläutert. Hierin ist . - " sungen und' Feldstärken kann beim Durchgang
F i g. 1 eine schematische Darstellung einer erfin- linearpolarisierten· Lichtes eine Phasendrehung um
dungsgemäßen· elektrooptischen Lichtsteuervorrich- 90° längs der x-Achse und der y-Achse erreicht werden,
tung, ■ - ' 55 Der erwähnte ältere Vorschlag "betrifft eine An-
F i g. 2 die - schematische Darstellung eines Aus- Ordnung, bei ■ der eine Gleichspannung senkrecht
führungsbeispiels der Erfindung und zur optischen Achse mittels Elektroden an den
F i g. 3 eine graphische Darstellung des relativen betreffenden Kristall angelegt wird. Die beiden Kri-
Verlaufs des elektrischen Vektors der Mikrowelle, stalle sind unter Freilassung eines Zwischenraumes
des elektrischen Vektors der Lichtquelle und der 60 so hintereinander angeordnet, daß die elektrischen
Orientierung eines Kristalls. . Fejdlinien in ihnen senkrecht zueinander verlaufen.
Die Erfindung bedient sich einer Pockelszelle zur In der vorliegenden Erfindung ist die Anordnung
nichtreziproken Beeinflussung der Lichtfortpflanzung. ähnlich, aber statt Gleichspannungen werden fort-
Zwei den elektrooptischen Pockelseffekt zeigende schreitende Mikrowellen verwendet. Hierdurch wird
Kristalle sind hintereinander in der Achse eines. Hohl- 65 ein nichtreziproker Lichtdurchlaß erzielt, wobei die
leiters angeordnet. Als solche Kristalle kommen vor- optische Durchlaßrichtung in gleicher Richtung wie
zugsweise primäre Phosphate in Frage, z. B. primäres die Fortpflanzungsrichtüng der Mikrowellen ver-
Kaliumphosphat. Zwischen den beiden Kristallen läuft.
. In F i g. I sind nur die wesentlichen Teile der Anordnung dargestellt, wobei die Richtungen der
elektrischen Vektoren der Mikrowelle durch die Teile 5 und 6 bezeichnet sind. Die als langgestreckte
Stäbe ausgebildeten elektrooptischen Kristalle 10 und 11 sind so angeordnet, daß die y-Achse des Kristalls 10
und diex-Achse des Kristalls 11 in Lichtfortpflanzungsrichtung
hintereinanderliegen. Die Kristalle haben z. B. quadratischen oder auch rechteckigen Querschnitt.'
Wesentlich ist nur, daß die Abmessungen in r-Richtung die gleichen sind. Die Längsachse jedes
Stabes soll parallel oder senkrecht zur (NO)-Ebene des Kristalls und parallel zur xy-Ebene desselben
verlaufen. Der zu steuernde Lichtstrahl kommt von einer durch den Pfeil 12 angedeuteten Lichtquelle
und geht zunächst durch ein Polarisationsfilter 14, bevor er in den ersten Kristall 10 eintritt. Am Ausgang
der Vorrichtung ist ein Analysator 15 mit zum PoIa- ■ risationsfilter 14 gekreuzter Polarisationsebene angeordnet.
Der elektrische Vektor 16 des Hnearpolarisierten Lichtstrahls hinter dem Filter 14, der die
Polarisationsebene desselben angibt, bildet einen
) Winkel von 45° mit der. x-Achse und der z-Achse.
des Kristalls 10 und ebenso mit der y-Achse und der z-Achse des Kristalls 11. Die beiden in diese
Achsen fallenden Komponenten des. einfallenden Lichtes werden infolgedessen in folgender Weise
aufgespalten. Es seien Nx, Ny und Nz die Hauptbrechungsindizes
für die Achsen des Indexellipsoids und L die übereinstimmende Länge beider Kristalle
in Fortpflanzungsrichtung, sowie d die Breite der Kristalle in z-Richtung, also bei quadratischem Quer-'
schnitt die Seitenlänge desselben, λ sei die Wellenlänge
des einfallenden Strahls 12. Beim Eintritt in den ersten Kristall 10 von links wird das polarisierte
Licht 16 in zwei zueinander senkrechte Komponenten aufgespalten, von denen die eine parallel zur x-Achse
des Kristalls 10 und die andere "parallel zur y-Achse des Kristalls 11 schwingt. Sfnd die elektrischen Felder
in z-Richtung nicht vorhanden, so sind die Brechungsindizes für parallel zur x-Achse und zur y-Achse
schwingende Komponenten identisch. Deshalb erleidet die eine Komponente im Kristall 10 und die
andere Komponente im Kristall 11 die gleiche Verzögerung, und beide Komponenten setzen sich am
Ausgang des zweiten Kristalls wieder zu einem linear polarisierten' Lichtstrahl zusammen, dessen Polarisationsebene
18 in gleicher- Richtung wie die Polarisationsebene 16 des einfallenden Lichtstrahls verläuft.
Wirkt dagegen ein elektrisches Feld in z-Richtung . der beiden Kristalle, so sind die Brechungsindizes in
j x-Richtung und in ^-Richtung nicht mehr identisch,
weil das angelegte elektrische Feld innere Spannungen
der Kristallstruktur erzeugt. Die zueinander senk-, rechten Komponenten des einfallenden linear polarisierten
Lichtes erfahren deshalb eine Phasenver-" Schiebung' gegeneinander und setzen sich nach dem
Austritt aus dem zweiten Kristall zu einem elliptisch polarisierten Lichtstrahl zusammen, wobei die Exzentrizität
· der Polarisationsellipse von der induzierten Phasenverschiebung abhängt. Bei einer bestimmten
Feldstärke und einer bestimmten Kristallänge kann erreicht werden, daß die austretenden Komponenten
einen Phasenunterschied von gerade 180° haben. Sie setzen sich dann zu einem linear polarisierten
Lichtstrahl zusammen, dessen Polarisationsebene um 90° gegen die Einfallsebene gedreht ist.
Im einzelnen erfährt beim Durchgang durch den Kristall 10 längs der y-Achse desselben die .v-Kömponente der Polarisation eine Phasenänderung vor
Im einzelnen erfährt beim Durchgang durch den Kristall 10 längs der y-Achse desselben die .v-Kömponente der Polarisation eine Phasenänderung vor
Φχ = —.— Nx radiant, (I)'
und die zur z-Achse parallele Komponente erfährt eine Phasenänderung um
7 .-r L
Φ- = -^— N. radiant.
Die Phasenänderung im Luftspalt zwischen den beiden Kristallen 10 und'11 ist für beide Komponenten
gleich und wird durch eine Konstante « ausgedrückt. Beim Durchgang durch den Kristall. 11
längs.der x-Achse desselben erfährt die y-Komponente
der Polarisation eine Phasenänderung um
2 .-τ L
Ny radiant,
während die Phasenänderung der zur z-Achse parallelen Komponente die gleiche wie für die z-Achse
des Kristalls 10 ist, nämlich ■
Φζ = —'-— N. radiant.
v (4)
Somit ergibt sich die gesamte Phasenändefung für die x-Komponente und die y-Komponente nach
Durchgang durch beide Kristalle zu '. >
θ, = Φί
InL
θχ =
W, +NJ +a- (5) .
Die Phasendifferenz zwischen den beiden. Komponenten
ist
J θ = 6>„
l{Ny + Nz)-(Nx + Nz)y.- (7)
Nach Ausrechnung ergibt sich.
InL
InL
ΔΘ i=
(N7-Nx).
Wird kein elektrisches Feld längs der z-Achsen
der beiden Kristalle angelegt, so sind die Brechungsindizes Ny und Nx gleich, also Ny = Nx = N0. Die
Phasendifferenz zwischen den austretenden, zueinander senkrecht polarisierten Komponenten des Lichtstrahls
verschwindet dann, d. h.
(9)
Die ursprüngliche Polarisationsebene des einfallenden Lichtstrahls wird also tatsächlich in diesem
Falle beibehalten, und der resultierende Polarisationsvektor 18 des austretenden Lichtstrahls hat die gleiche
Richtung wie der Polarisationsvektor 16 des eintretenden Lichtstrahls.
Wird ein elektrisches Feld in Richtung der r-Achsc
der beiden Kristalle angelegt, also eine elektrische
Spannung zwischen den beiden horizontalen Seitenflächen des Kristalls 10 in Richtung des Pfeiles 5.
erzeugt und gleichzeitig eine Spannung gleicher Größe an den vertikalen Seitenflächen des Kristalls 11
in Richtung des Pfeiles 6 erzeugt, so ist der Brechungsindex Ny des Kristalls 10 nicht mehr identisch mit
dem Brechungsindex Nx des Kristalls 11. Der Brechungsindex
N. längs der optischen Achse beider Kristalle bleibt, dagegen unverändert. Der eine der
beiden genannten Brechungsindizes nimmt zu. während der.andere um den gleichen Betrag abnimmt.
Somit kann geschrieben werden
' "
T = N0±AN,
x = N0^AN,
(10) [W)
hierbei ist AN die Änderung des Brechungsindex durch Einwirkung des elektrischen Feldes. Wird mit
r63 eine elektrooptische Konstante und mit Ii die
am Kristall - liegende Spannung in z-Richtung bezeichnet, so gilt nach einer bekannten Formel
25
(1.2)
'. Setzt man diese Ausdrücke in Gleichung.(8) ein.
• so ergibt, sich · ■ s
d?:
(13)
Es zeigt sich somit, daß die Phasenverschiebung v
zwischen den beiden senkrecht, zueinander polari-, sierten Komponenten des Lichtstrahls unmittelbar
proportional zur Vorspannung Il und der .Kristalllänge L sowie umgekehrt proportional zur Seitenlange
d ist. Durch geeignete Wahl dieser Parameter ist es möglich, am Ausgang wieder einen linear polarisierten
Lichtstrahl zu erhalten, dessen Polarisationsebene um 90 gedreht ist: d. h.
Der entsprechende Vektor ist in-Fig. I als der
gestrichene Pfeil 18' eingezeichnet.
Die erforderliche. Spannung zur Drehung der Polarisationsebene um 90 kann aus den Gleichungen
(13) und (14) bestimmt werden. Man findet
Γ. =
Id
(15)
Der Faktor -^ τΗ*" >*i die sogenannte HaIh-
wellenspannung. d. h. die Spannung, die erforderlich
ist. um eine Phasenverschiebung von ,90 /wischen den austretenden Komponenten eines Lichtstrahles
zu erzeugen, wenn ein linear polarisierter Licht- <
>? strahl in r-Richlungaufden Kristall auffallt, während
-gleichzeitig ein elektrisches Feld parallel /ur r-Achso
angelegt wird. Hs ergibt mcIi also! daß eine.Verrinnerung
der Halbwellenspannung um den Faktor -r auftritt, wenn zwei Kristalle mit gekreuzten optischen
Achsen nacheinander von einem senkrecht zu den optischen Achsen einfallenden Lichtstrahl durchlaufen
Werden. So wird es möglich, die Betriebsspannung in einem Bereich zu halten, der leicht durch Mikrowellcncnergie
aufgebracht werden kann, und dies macht es wieder möglich, erfindungsgemäß eine nichtreziproke Lichtsteueranordnung zu schaffen, bei
der die elektrischen Feldvektoren einer fortschreitenden Mikrowelie die .Vorspannungen liefern. Die
Anordnung läßt dann nur Licht iri der Fortpflanzungsrichtung der Mikrowellen durch, wenn-die Lichtgeschwindigkeit
und die Mikrowellengcschwindigkcit im .elektrooptischen Medium gleich sind und wenn
die elektrooptischen Kristalle je eine halbe Wellenlänge der Mikrowelie lang sind. ·
Zu diesem Zweck ist gemäß Fig. 2 eine Mikrowcllenanordnung
vorgesehen, welche die E-Vcklorcn
5 und 6 für die Kristalle 10 und 11 liefern kann. Sie besteht aus zwei rechteckigen Hohllcitcrabschniltcn
20 und 21, die zur Fortpflanzung der TE10-WeIIe
eingerichtet sind und durch einen Ubcrgangsabschnitl 22 zur Drehung der Polarisationsebene um 90
getrennt sind. Der elektrische Vektor der fortschreitenden Mikrowelie ist senkrecht zu den Breitseiten der
Hohlleiterabschnitte. Der Kristall 10 ist im Abschnitt 20 und der Kristall 11 im Abschnitt 21 derart befestigt,
daß die den Vektoren 5 und 6 entsprechenden Felder Vorspannungen an den Kristallen in den
angegebenen . Richtungen erzeugen. Selbstverständlich ist der Ubergangsabschnitt 22 so ausgebildet,
daß er eine Durchblicköffnung in seiner Mitte hat. deren Querschnitt mindestens so groß wie derjenige
der beiden Kristalle 10 und 11 ist, die axial fluchten,
so daß optische Energie in Längsrichtung der Mikrowellenanordnung übertragen werden kann.
Impcdanzanpassungsglicdcr können gegebenenfalls
an den Enden der MikrowcHcnanordnung angeordnet sein. ■ "..·.
Ein Mikrowellcnerzcuger 24 kann über einen Mikrowcllcnumschaltcr
26 bekannter Art wahlweise mit den beiden Enden der Mikrowcllenanordnuhg verbunden
werden, um die Fortpflanzungsrichtung der Mikfowellcnencrgie durch den Hohlleiter zu wechseln
und so die Richtung vorzuschreiben, in welcher die Lichtencrgic'die Anordnung durchsetzen kann.
Die MikrowcHcnanordnung ist so ausgebildet,
daß sie eine Phasengeschwindigkeit in den elektrooptischen Kristallen ergibt, die gleich der Lichtgeschwindigkeit
in . Fortpflanzungsrichtung in den ' Kristallen ist.. Die Länge der. Kristalle ist eine halbe
Wellenlänge der Mikrowelie.
Im Betrieb ergibt sich eine resultierende Verlangsanuing
der Lichtwellc zwischen den zueinander senkrechten Komponenten des einfallenden polarisierten
Lichtes für Licht." das in gleicher Richtung wie die Mikrowelie die Anordnung durchläuft. z.B.
von links nach rechts in F i g. 2. Dies rührt da\on her. daß das Mikrowellenfcld und das Lichlwellenfeld
in dein elektrooptischen Medium mit gleicher Geschwindigkeit fortschreiten und daß der elektrische
Fekhektor E des Lichtstrahls einer bestimmten Phase
stets die gleiche Mikrowellenfeldstärke in den Krislallen 10 und .11 vorfindet. Das Ausmaß der resultierenden
Verzögerung /wischen den.beiden Komponenten hängt \on der Mikrowellonfeldstärke al.f und
bestimmt den Durchlaßgrad durch die Anordnung. Die durchgelassene Lichtintensität ist mathematisch
durch folgenden Ausdruck gegeben:
/ = I0 sin2 KEn,
(16)
wobei /0 die Intensität der einfallenden Lichtwelle,
K eine Konstante des elektrooptischen Materials und Em der Scheitelwert der elektrischen Feldstärke
in der Mikrowelle ist. Für einen bestimmten Wert von En kann somit theoretisch ein optisches Durchlaßvermögen
von 100% erreicht werden.
Wenn nun der Lichtstrahl von der entgegengesetzten . Seite, z. B. von rechts in die Anordnung einfällt und
sich entgegen der Fortpflanzungsrichtung der Mikrowelle fortpflanzt, so erfahren die zueinander, senkrechten
Komponenten des einfallenden linear polarisierten Lichtes keine gegenseitige Verzögerung, weil ■
sie je um eine volle Wellenlänge des Mikrowellenfeldes fortschreiten, denn jeder Kristall ist eine halbe
Wellenlänge lang. Dies ist in F i g. 3 erläutert. Da sich keine gegenseitige Verzögerung der beiden' Komponenten
ergibt, bleibt beim Verlassen der elektrooptischen. ■ Kristalle die ursprüngliche Polarisation
des Lichtstrahls erhalten; Deshalb findet in dieser Fortpflanzungsrichtung kein Lichtdurchlaß statt, weil
der Analysator mit dem Polarisator gekreuzt ist. Somit ergibt sich bei Erfüllung der genannten Bedingungen
tatsächlich ein nichtreziproker Lichtdurchlaß:
Claims (1)
1. Elektrooptischer Lichtmodulator mit einem zwischen einem Polarisator und einem dazu gekreuzten
Analysator liegenden Wellenleiter, in dem mindestens ein doppelbrechender Kristall
vom KDP-Typ angeordnet ist, dessen Längsachse mit der Wellenleilerachse und. der Fortpflanzungsrichtung
des Lichtes zusammenfällt und dessen optische Achse parallel zu dem elektrischen
Feldvektor einer sich in dem. Wellenleiter mit gleicher Phasengeschwindigkeit, wie das Licht
fortpflanzenden Mikrowelle verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß der im TE-Modus
betriebene Wellenleiter zwei Abschnitte (20, 21) aufweist, die mittels eines die Polarisationsebene
der fortschreitenden Mikrowelle um 90° um die gemeinsame Achse drehenden' Übergangsstücks
(22) verbunden sind, und daß sich in den beiden Wellenleiterabschnitten gleichachsig angeordnete
Kristalle (10, 11) befinden, deren Länge jeweils gleich der halben Mikrowellenlänge ist und deren
optische Achsen senkrecht zu der gemeinsamen Längsachse und senkrecht zueinander verlaufen.
■ -2. Lichtmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einfallende Licht unter
45° gegen die optische Achse der Kristalle linear polarisiert ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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