DE3131227C2 - Elektrisch ansteuerbarer optischer Modulator - Google Patents

Abstract

Ein elektrooptischer Modulator besteht aus einem Reflektor mit einer reflektierenden flexiblen Membran, z.B. aus metallbedampfter Elektretfolie, die matrixartig abgestützt ist und dazwischen nicht abgestützte Flächenbereiche hat, die durch Erzeugen eines elektrostatischen Feldes im Takt eines Modulationssignals in eine die auftreffende Strahlung gestreut reflektierende Konfiguration auslenkbar sind, so daß die Intensität des reflektierten Strahlungsbündels moduliert wird. Der Reflektor ist vorzugsweise in einem parallelgerichteten optischen Strahlengang angeordnet mit Filtern oder Blenden, die gestreut reflektierte Strahlung abfangen. Der Modulator ist im Prinzip für optische Strahlung jeder Wellenlänge, sowie auch Strahlung im Submillimeterbereich geeignet, kann großflächig ausgebildet und mit hoher Modulationsfrequenz oder Bitraten und mit hohem Modulationswirkungsgrad betrieben werden.

Description

Die Größe und die Abstände der die Membran abstützenden Vorsprünge bzw. die Weite der dazwischenverbleibenden freien Felder bestimmen in Verbindung mit den Membraneigenschaften und der Stärke des rechtwinklig zur Membran kurz- oder langzeitig angelegten elektrischen Feldes sowohl die erreichbare Auslenkung der Membran und damit den Streueffekt, als auch die erreichbare Frequenz der Modulation.

Die Reflexionsfläche wird vorzugsweise angeordnet in einem mit optischen Mitteln parallel gerichteten Strahlungsgang des Strahlungsbündels. Hinter und ggf. auch vor der Reflexionsfläche können geeignete Blenden oder auch Filter, wie zum Beispiel sogenannte Kanalplatten, angeordnet sein, um von der Parallelität abweichende Streulichtanteile herauszufiltern.

Der erfindungsgemäße Modulator kann auch so ausgestaltet sein, daß seine einzelnen Flächenbereiche selektiv und unterschiedlich ansteuerbar sind, derart, daß eine über den Gesamtquerschnitt des Strahlungsbündels unterschiedliche Modulation erzeugt wird.

Gemäß einer anderen Ausführungsform können im Strahlengang auch zwei oder mehrere erfindungsgemäß ausgebildete Reflexionsflächen derart angeordnet sein, daß die Strahlung von innen nacheinander reflektiert wird. Hierdurch läßt sich der Modulationseffekt verstärken bzw. verfeinern. Die Auslenksignale können an die Reflexionsflächen entweder gleichzeitig und parallel angelenkt werden, so daß der Modulationsgrad verstärkt wird, d. h. Strahlungsanteile, die vom ersten Modulator noch unzureichend gestreut worden sind, werden vom zweiten oder dritten Modulator aus dem Strahlengang herausgestreut werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Auslenksignale in unterschiedlicher Weise bzw. ungleichzeitig den Reflexionsflächen zuzuleiten. Hierdurch kann z. B. mit der Gesamtanordnung eine höhere Modulationsfrequenz oder Bit-Rate erzielt werden, als dies mit einem einzelnen Modulator möglich wäre.

Weitere vorteilhafte Merkmale des erfindungsgemäßen Modulators ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, sowie aus den Patentansprüchen.

Für den erfindungsgemäßen optischen Modulator gibt es zahlreiche vorteilhafte Anwendungen in der Nachrichtentechnik sowie in anderen Bereichen der Technik und Physik. So kann zum Beispiel die Ansteuerung von Lichtleitfaserstrecken oder deren Abschaltung und Umschaltung bewirkt werden. Durch mehrere oder minder großen Streueffekt lassen sich kurze Reichweiten mit Breitenwirkung oder große Reichweiten durch parallele Strahlung erzeugen. Im Regelkreis geschaltet mit einer Meßeinrichtung für die zum Beispiel von einem Laser erzeugte optische Leistung läßt sich die Leistungsdichte für den Leistungstransfer von Laser-Nachrichtenstrecken regulieren und zum Beispiel mit einer einzigen Laserlichtquelle eine erhebliche Nachrichtendichte durch serielle Ansteuerung erreichen.

Emc der Hauptvorteile des Modulators liegt in der Unabhängigkeit von der benutzten Lichtwellenlänge. Insbesondere ist der Modulator auch für elektromagnetische Strahlung im Submillimeter-Bereich der Höchstfrequenz tauglich.

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt stark vergrößert einen Teilschnitt durch einen Modulator gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf den Modulator gemäß Fig. 1;

Fig.3 und 4 zeigen ebenfalls stark vergrößert einen Teilschnitt und eine Draufsicht auf einen Modulator gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5 zeigt eine Teilansicht der Abstützplatte des Modulators;

F i g. 6 zeigt eine stark vergrößerte Schnittdarstellung mit verschiedenen anderen alternativen Ausführungsformen des Modulators;

F i g. 7 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus einer weiteren Ausführungsform;

Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung des erfindungsgemäßen Modulators in einem optischen Strahlengang;

Fig.9 zeigt eine andere Ausführungsform eines Strahlengangs mit einem erfindungsgemäßen Modulator;

Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform mit zwei Reflexionsflächen;

F i g. 11 zeigt die Anwendung des erfindungsgemäßen Modulators in Verbindung mit einem Retoreflektor;

Fig. 12 zeigt einen aus erfindungsgemäßen Modulatoren zusammengestellten Retoreflektor.

Bei dem in F i g. 1 und 2 dargestellten optischen Modulator 1 ist eine flexible Membran 3 vorgesehen, die eine spiegelnde Oberfläche bildet, so daß ein parallel einfallendes Strahlungsbündel 5 ebenso parallel als Strahlungsbündel 7 wieder reflektiert wird. Die Membran 3 besteht entweder aus einer hinreichend dünnen und flexiblen Metallfolie oder vorzugsweise aus einem dielektrischen Material, z. B. auch mit Elektreteigenschaften, welche an der Oberseite mit einer leitfähigen spiegelnden Schicht, z. B. durch Bedampfung, versehen ist.

Die Membran 3 ist abgestützt durch eine Abstützplatte 9, die eine Vielzahl von Nuten 11 aufweist, zwischen denen Stützrippen 13 stehen bleiben, die die Membran 3 abstützen. Die Nuten 11 bilden Zellen, die von der Membran frei überspannt werden. In den Nuten sind Leiterbahnen 15 angeordnet. Durch ein Ansteuergerät 17 kann eine zum Beispie! nach einem gewünschten Modulationscode getaktete Steuerspannung einerseits an die Leiterbahnen 15 und andererseits an die Metallschicht der Membran 3 angelegt werden. Hierdurch entsteht in den Nuten oder Zellen 11 ein elektromagnetisches Feld, und die entstehenden Kräfte bewirken eine Auslenkung der Membran 3 in die Nuten 11 hinein, wie bei 3' gestrichelt angedeutet. Das auf diese ausgelenkten Membranbereiche 3' auftreffende Licht des parallelen Lichtbündels 5 wird in unterschiedlichen Richtungen streureflektiert, wie bei T angedeutet, so daß wesentliche Teile des Lichtes aus dem parallelen Verlauf herausgelenkt werden und sich als entsprechender Intensitätsverlust des parallelen Lichtbündels bemerkbar machen. Auf diese Weise ist eine Intensitätsmodulation des Lichtbündels durchführbar.

Die Ausführungsform nach F i g. 3 und 4 unterscheidet sich von der nach F i g. 1 und 2 nur dadurch, daß anstelle von parallelen Nuten gekreuzte Nuten in der Stützplatte 9 vorgesehen sind, so daß die Membran 3 nur punktweise von verbleibenden stiftförmigen Vorsprüngen oder Stützpfeilern 19 abgestützt ist. Um diese Stützpfeiler 19 herum ist die ganze vertiefte Oberfläche der Stützplatte 9 mit einer metallischen Schicht 21 versehen. Zwischen dieser und der Metallschicht der Membran 3 wird mittels des Ansteuergeräts 17 das Modulationssignal angelegt. Das Verhältnis der abgestützten zu den auslenkbaren Flächenbereichen der Membran 3 ist

bei der Ausführungsform nach Fig. 3 und 4 größer als bei der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2, und die Streuung des Lichtes an den ausgelcnkten Membranbercichen 3' erfolgt in zwei Dimensionen. Insgesamt läßt sich daher mit dieser Ausführungsform eine wirksamere Modulation, das heißt ein höherer Modulationsgrad erreichen.

Die Stützplatte 9 kann aus Glas oder Glas! eramik, aber auch aus einem metallischen Werkstoff odf.r einem zum Beispiel spritzfähigen Kunststoff bestehen. Das Oberflächenrelief mit den Nuten und den Stützrippen oder -pfeilern kann entweder durch einen Formungsvorgang mit Spritzen oder Pressen, oder vorzugsweise durch photochemische Bearbeitung entsprechend der bekannten photomasken Ätztechnik hergestellt werden. Insbesondere auf diese Weise kann man die Abmessungen der gebildeten Stützvorsprünge und dazwischenliegenden Zellen sehr klein wählen. Der erreichbare Modulationsgrad wird maßgeblich mitbestimmt durch das Flächenverhältnis der Stützvorsprünge zur Gesamtfläche. Vorzugsweise wird man die Platte, wie in F i g. 5 angedeutet, mit einem System von sehr feinen, sich kreuzenden Nuten mit gegenseitigen Abständen von weniger als 1 mm und einer Tiefe von typischerweise weniger als 0,5 mm versehen, wobei die dazwischen stehenbleibenden Stützpfeiler, z. B. bei quadratischer Form eine Seitenlange von nur 0,1 bis 0,2 mm oder auch weniger haben können.

Abweichend von den in den Zeichnungen nur als schemalische Beispiele dargestellten Oberflächenmustern können auch andere Formen der Stützvorsprünge bzw. der dazwischen gebildeten Zellen vorgesehen werden, z. B. hexagonale Formen oder auch runde Querschnitt der Stützpfeiler sowie Anordnung in einer z. B. hexagonalen Matrix. Vorteilhaft ist es, wenn die an der Membran 3 anliegenden Oberflächen der Stützvorsprünge plan poliert werden.

Bei der in F i g. 6 in noch stärker vergrößertem Maßstab schematisch dargestellten Variante ist die Stützplatte 9 ebenfalls mit pfeiler- oder warzenförmigen Stützvorsprüngen 19 versehen, auf denen die reflektierende Membran 3 abgestützt ist. Zwischen den Stützpfeilern 19 erstrecken sich zueinander parallele Leiterbahnen senkrecht zur Zeichenebene, die die verschiedenen in Fig.6 nur beispielsweise dargestellten Querschnittsformen haben können, insbesondere flach wie bei 15a, konkav gekrümmt wie bei 15i, konvex gekrümmt wie bei 15c oder in Tellerform wie bei 15c/. Bei I5d und 15c kann es sich auch um nur punkt- oder stiftförmige Elektroden handeln, die durch die Stützplatte 9 hindurchgeführt und an deren Rückseite mit Leiterbahnen 15e, 15/ verbunden sind. Breitere bzw. konkave Formen sind dann zu bevorzugen, wenn Spitzenentladungen zur Folie vermieden werden sollen.

Oberhalb der reflektierenden Membran 3 erstreckt sich mit einem kleinen Abstand eine transparente Platte 23, die an ihrer der Membran 3 zugewendeten Unterseite eine leitfähige Schicht 25 trägt, die so ausgebildet ist, daß sie den Durchtritt der optischen Strahlung nicht oder nur wenig behindert Es kann sich entweder um eine sehr dünne, noch hinreichend lichtdurchlässige aufgedampfte Metallschicht handeln, oder um eine Schar von entweder sehr schmalen, zwischen sich hinreichend breite Zwischenräume lassenden Leiterbahnen oder vorzugsweise von transparenten Leiterbahnen aus z. B. Indiumoxid, die z. B. quer zu den Leiterbahnen der Stützplatte 9, also parallel zur Zeichenebene verlaufen können.

Mittels der Ansteuervorrichtung 17 wird das elektrische Modulationssignal zwischen die Leiterbahnen der Slützplatte 9 und die Leiterbahnen oder Leiterschicht 25 der transparenten Platte 23 angelegt. Die Querschnitte der Leiterbahnen der Stützplatte 9 sind vorzugsweise so gestaltet, daß zwischen ihnen und der transparenten Platte 25 ein möglichst inhomogenes elektrostatisches Feld beim Anlegen des Modulationssignals gebildet wird, so daß man eine möglichst starke Auslenkung der Membran 3 erhält.

Die ganze Einheit kann von einem vakuumdichten Gehäuse 27 umgeben sein, und der freie Raum unter- und oberhalb der Membran 3 kann teilweise evakuiert und/oder mit einem Gas von geringer Reynoldzahl gefüllt sein.

F i g. 7 zeigt in sehr starker Vergrößerung einen Ausschnitt aus der Stützplatte 9 mit Stützvorsprüngen 19 und Leiterbahnen 21 und der darüber verlaufenden Folie 3, die durch die Ansteuersignale zu konkaver Konfiguration 3' auslenkbar ist. Der Streueffekt für die Strahlung wird im wesentlichen von den geneigten Flankenbereichen der konkaven Form 3' ausgeübt, während die Bereiche an der Kuppe der konkaven Auslenkung 3' und ebenso die abgestützten Bereiche oberhalb der Stützvorsprünge 19 zum Streueffekt nichts beitragen. Der Modulationsgrad, der sich aus dem Verhältnis der gestreuten zu den nichtgestreuten Lichtanteilen ergibt, läßt sich verbessern, wenn oberhalb der Folie 3 eine Maske 14 angeordnet wird, auf der lichtundurchlässige Bereiche 16 so angeordnet sind, daß sie sich oberhalb der Stützvorsprünge 19 und oberhalb der Mittelbereiche der auslenkbaren Flächenbereiche 3' befinden, so daß diese Bereiche kein Licht empfangen und dementsprechend auch kein ungestreutes Licht reflektieren können. Es werden daher durch die Maske 14 hindurch im wesentlichen nur diejenigen Teile der Folie 3 beleuchtet, die bei Auslenkung die schrägen Flanken der ausgelenkten Bereiche 3' bilden. Durch derartige Maßnahmen läßt sich der Modulationsgrad bis nahe 100% steigern.

F i g. 8 zeigt, wie der Modulator gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einem optischen Strahlengang angeordnet ist. Eine Lichtquelle 27 erzeugt optische Strahlung im sichtbaren oder unsichtbaren Welienlängenbereich, die durch eine geeignete Optik, die in F i g. 7 als Fresnel-Linse 29 dargestellt ist, geradegerichtet wird. Ein Filter z. B. in Form einer sogenannten Kanalplatte 31 kann vorgesehen sein, um die Parallelität des Strahlengangs zu verbessern und Streulichtanteile herauszufiltern. Das so parallel gerichtete Strahlungsbündel 33 trifft unter 45° auf den Modulator 1 und wird bei Fehlen eines angelegten Modulationssignals unter Beibehaltung seiner Parallelität rechtwinklig abgelenkt. Den Modulator 1 kann eine weitere Kanalplatte 35 nachgeschaltet sein. Wird mittels der Ansteuervorrichtung 17 ein elektrisches Signal an den Modulator 1 derart gelegt, daß die reflektierende Membran in den nicht abgestützten Bereichen ausgelenkt wird, wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben, so wird ein erheblicher Teil des Strahlungsbündels 33 bei der Umlenkung aus dem parallelen Strahlenverlauf herausgestreut werden, wie durch die gestrichelten Pfeile 37 angedeutet. Diese Strahlungsanteile können die Kanalplatte 35 nicht passieren, so daß man hinter der Kanalplatte 35 nur noch den geringen Strahlungsanteil hat, der durch die licht ausgelenkten Flächenbereiche des Modulators 1 reflektiert worden sind. Je nach dem Flächenverhältnis zwischen den abgestützten und nicht ab-

gestützten Bereichen der Membran läßt sich auf diese Weise ein Modulationsegrat erreichen, der zwischen der praktisch verlustfrei reflektierten vollen Intensität des Strahlungsbündels und einem sehr kleinen Bruchteil davon liegt. Durch Variieren der Stärke des angelegten Modulationssignals und damit des Betrages der Auslenkung der Membran kann der Modulationsgrad ferner stufenlos verändert werden.

F i g. 9 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform des Strahlenganges. Als Strahlungsquelle ist ein Laser 39 vorgesehen, dessen enges Strahlungsbündel zuerst durch eine Zerstreuungsoptik 41 aufgeweitet und dann durch eine Sammeloptik 43 parallel gerichtet wird. Nach der Reflexion an den unter 45° angestellten Modulator 1 wird das Strahlungsbündel mittels einer Optik 45 auf eine enge Lochblende 47 progressiert und anschließend wieder parallel gerichtet. Wenn mittels der Ansteuervorrichtung 17 ein Modulationssignal an den Modulator 1 angelenkt wird, werden die aus dem parallelen Strahlengang herausgestreuten Strahlungsanteile nicht auf die Öffnung der Lochblende 47 progressiert werden und daher aus dem Strahlengang ausgeblendet.

Für viele Kommunikationszwecke z. B. auch auf dem Gebiet der Schußsimulation, der Freund-Feind-Identifizierung (IFF) und dergleichen ist eine mit einer Retroreflexion eines ankommenden Strahlungsbündels kombinierte Intensitätsmodulation erwünscht. Hier läßt sich der erfindungsgemäße Modulator mit besonderem Vorteil einsetzen, da er mit sehr großen Öffnungsflächen hergestellt werden kann und wellenlängeunabhängig ist.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 sind in einem von der Lichtquelle 27 ausgehenden und mittels Linse 29 und Kanalplatte 31 parallel gerichteten Strahlengang 33 zwei Modulatoren 1, Γ der beschriebenen Art so angeordnet, daß sie die Strahlung nacheinander reflektieren. Beide Modulatoren 1, Γ werden die Auslenksignale von der Ansteuereinheit 17 zugeführt. Dies kann auf zwei verschiedene Arten geschehen. Man kann die Modulatoren 1,1' gleichzeitig mit den gleichen Ansteuersignalen beaufschlagen. Man erhält dann einen höheren Modulationsgrad, als es nur mit einem einzigen Modulator 1 möglich ist, denn diejenigen Lichtanteile, die nach Reflexion an dem mit dem Auslenksignal beaufschlagten ersten Modulator 1 noch nicht aus dem Strahlengang herausgestreut worden sind, werden dann beim Auf treffen auf den zweiten Modulator Γ mit großer Wahrscheinlichkeit auf einen ausgelenkten Bereich auftreffen und aus dem Strahlengang ausgestreut werden, so daß nur noch ein sehr geringer Lichtanteil im parallelen Strahlengang verbleiben und durch die zweite Kanalplatte 35 hindurchtreten wird. Dieser Effekt läßt sich durch optische Hintereinanderschaltung von mehr als zwei Modulatoren, z. B. in einer Zickzackanordnung, noch steigern. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Ansteuersignale den Modulatoren 1,1' seriell nacheinander bzw. alternierend zuzuführen. Auf diese Weise läßt sich die Modulationsfrequenz oder Bit-Rate, mit der die gesamte Anordnung betreibbar ist, auf das Doppelte, bzw. bei mehreren Modulatoren auf das Vielfache derjenigen Bit-Rate steigern, mit der ein einzelner Modulator 1 betreibbar ist.

Fig. 11 zeigt die Prinzipskizze einer sehr einfachen Anordnung, bei der der erfindungsgemäße Modulator 1 so angeordnet ist, daß er ein von z. B. einer Abfragestation ankommendes Strahlungsbündel 33 rechtwinklig umlenkt, so daß es auf eine mit lotrechter Achse angeordneten Retroreflektor (Triplespiegelreflektor) 49 auftrifft. Dieser besteht aus drei ebenen reflektierenden Flächen, die rechtwinklig zueinander nach Art einer Würfelecke angeordnet sind. Er hat die Eigenschaft, aus beliebiger Richtung einfallende Strahlung exakt in sich selbst zurückzureflektieren. Die zurückreflektierte Strahlung wird nacherneuter Reflexion am Modulator 1 als Ausgangstrahlungsbündel 51 in die ursprüngliche Richtung zurückreflektiert. Die Intensität dieses Ausgangsstrahlungsbündels kann durch Ansteuern des Modulators 1 in der zuvor beschriebenen Weise intensitätsmoduliert werden.

Fig. 12 zeigt einen Retroreflektor (Triplespiegelreflektor), dessen drei rechtwinklig zueinander stehenden Reflexionsfläche je aus einem erfindungsgemäß ausgebildeten optischen Modulator 1 bestehen. Die einfallende Strahlung 3, die durch Reflexion an jeweils zwei der drei Modulatoren 1 als Ausgangslichtbündel 51 in sich selbst zurückreflektiert wird, kann durch Ansteuern der drei Modulatoren 1 inensitätsmoduliert werden.

Bei der Ausführungsform z. B. nach F i g. 1 und 2 oder nach F i g. 6 kann der Modulator auch so betrieben werden, daß nicht alle Leiterbahnen mit dem gleichen Modulationssignal beaufschlagt, sondern selektiv angesteuert werden. Auf diese Weise kann die Modulation über den Querschnitt des Strahlungsbündels unterschiedlich verteilt werden. Hierdurch können besondere Effekte insbesondere bei der Nachrichtenübertragung, z. B. zur Anpassung an die Querschnitte von angeschlossenen Faserlichtleitern od. dgl., erzielt werden.

Es kann vorteilhaft sein, eine Kühlung des Modulators insbesondere bei Beleuchtung mit einer energiereichen Lichtquelle vorzusehen, um eine thermische Belastung der Membran 3 und die damit verbundenen ungewollten Verformungen möglichst gering zu halten. Zu diesem Zweck kann man z. B. bei den gezeigten Ausführungsformen ein Kühlgas durch die Zwischenräume bzw. Nuten an der Ober- und/oder Unterseite der Membran 3 leiten, in Verbindung mit bekannten Wärmetauschverfahren.
Wie bereits erwähnt, besteht die flexible Membran 3 vorzugsweise aus einem mit einer reflektierenden Metallschicht versehenen Kunststoffmaterial, welches mit dem elektrostatischen Feld in möglichst große Wechselwirkung treten, d. h. möglichst stark polarisierbar sein soll. Besonders bevorzugt sind Kunststoffmaterialien mit Elektreteigenschaften bzw. mit Vorpolarisation. Es ist eine große Auswahl von Folienmaterialien mit Elektreteigenschaften bekannt. Als Beispiele können Teflon. Mylar, Tefzel, TEF, PFA, FEP usw. genannt werden (zum Teil geschützte Handelsbezeichnungen), unter denen je nach dem Anwendungszweck, der verlangten Temperaturbeständigkeit und dgl. das geeignete Material ausgewählt werden kann. Die Kanalplatten 31, 35 können z. B. aus in dichtem Raster angeordneten rohr- oder hülsenförmigen Elementen mit absorbierenden Innenflächen oder auch aus einer z. B. im Spritzgußverfahren hergestellten Multikanalanordnung bestehen. Insbesondere eignet sich eine nach einem Photoätzverfahren mit kanalartigen Durchbrüchen in dichtem Raster versehene Glaskeramikplatte. Das Raster der Kanalplatte ist vorzugsweise auf das Rastermuster der auslenkbaren Flächenbereiche 3' der Membran abgestimmt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (26)

Patentansprüche:

1. Elektrisch ansteuerbarer optischer Modulator zur Intensitätsmodulation eines Strahlungsbündels in Abhängigkeit von einem angelegten Modulationssignal, gekennzeichnet durch eine das Strahlungsbündel reflektierende Reflexionsfläche (3), die aus einer flexiblen Membran besteht, eine auf der Rückseite der Membran (3) angeordnete Stützplatte (9), die eine Vielzahl von Stützvorsprüngen (13, 19) aufweist, die die Membran an regelmäßig verteilten Flächenbereichen abstützen und dazwischen liegende Flächenbereiche unabgestützt lassen, und eine mit dem Modulationssignal beaufschlagbar Auslenkeinrichtung (15, 21, 25) zum Ausüben einer Auslenkkraft auf die nicht abgestützten Flächenbereiche der Membran (3) derart, daß diese in eine Konfiguration (3') auslenkbar sind, in der sie eine Streureflexion des Strahlungsbündels (5, 33) bewirken.

2. Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (5) eine metallische reflektierende Schicht aufweist.

3. Modulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (5) aus einer Metallfolie besteht.

4. Modulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus einem dielektrischen Material besteht und eine z. B. aufgedampfte Metallschicht aufweist.

5. Modulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus einem im elektrostatischen Feld stark polarisierbaren Material besteht.

6. Modulator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus einem Material mit Elektreteigenschaften bzw. mit Vorpolarisation besteht.

7. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützplatte (9) aus einer Platte mit parallelen oder sich kreuzenden Nuten (11) besteht, zwischen denen Rippen (13) oder stiftartige Vorsprünge (19) als Stützvorsprünge verbleiben.

8. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkvorrichtung aus einer Einrichtung zum Erzeugen eines mit der Membran in Wechselwirkung tretenden elektrostatischen Feldes besteht.

9. Modulator nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß in den Nuten (11) der Stützplatte (9) Leiterbahnen (15, 21) oder auch punktförmige Leiteranordnungen angeordnet sind, die mit dem Modulationssignal beaufschlagbar sind.

10. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Membran (3) eine Maske (14) mit rasterförmig angeordneten lichtundurchlässigen Bereichen (16) zur Abdeckung der nicht oder unzureichend auslenkbaren Flächenbereiche der Membran (3) angeordnet ist.

11. Modulator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationssignal zwischen den Leiterbahnen (15, 21) und der metallischen Reflexionsschicht der Membran (3) angelegt wird.

12. Modulator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Membran (3) eine transparente Platte (23) mit einer hinreichend lichtdurchlässigen leitfähigen Schicht (25) oder Anordnung von Leiterbahnen angeordnet ist und daß das Modulationssignal zwischen den Leiterbahnen (15, 21) der Stützplatte und den Leiterbahnen oder der leitfähigen Schicht (25) der transparenten Platte (23) angelegt wird.

13. Modulator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (156, 15e, I5d) eine stark profilierte Oberseite zur Erzeugung eines inhomogenen elektrostatischen Feldes aufweisen.

14. Modulator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen der transparenten platte (23) rechtwinklig zu den Leiterbahnen (15) der Abstützplatte (9) verlaufen.

15. Modulator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß Leiterbahnen (15e, I5f) an der Rückseite der Abstützplatte (9) vorgesehen sind, von denen sich punktuell Leitervorsprünge (15c, 15d) durch die Abstützplatte (9) hindurch bis nahe an die Membran (3) erstrecken.

16. Modulator nach einem der Ansprüche 1 b's 15, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Flächen bereiche der Membran (3) selektiv bzw. mit unterschiedlichen Modulationssignalen ansteuerbar sind zur Erzeugung einer über den Querschnitt des Strahlungsbündels (5) unterschiedlichen Modulation.

17. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der Stützvorsprünge (13, 19) der Stützplatte (9) in der Größenordnung von wenigen Zehntel Millimetern liegen.

18. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (11) bzw. Stützvorsprünge (13, 19) der Abstützplatte (9) mittels der Photoätztechnik ausgebildet sind.

19. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtfläche der abgestützten Flächenbereiche der Membran weniger als 20%, vorzugsweise weniger als 10% der Gesamtfläche der Membran (3) beträgt.

20. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Membran (3) gebildete Reflexionsfläche in einem parallel gerichteten optischen Strahlengang (5,33) angeordnet ist.

21. Modulator nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang hinter und gegebenenfalls auch vor dem Modulator (1) Blenden (47) und/oder Filter (31,35) zum Auffangen des von der ausgelenkten Membran (3) gestreut reflektierten Strahlungsanteils angeordnet sind.

22. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 21. dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (1) einem Retroreflektor(Triplespiegelreflektor)(49) vorgeschaltet oder mit einem solchen integriert ist.

23. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 22. dadurch gekennzeichnet, daß er als Retroreflektor (TriplespiegelreflektorX53) mit drei rechtwinklig zueinander angeordneten Reflektorflächen (1) mit je einer auslenkbaren Membran ausgebildet ist.

24. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang hintereinander zwei oder mehr Modulatoren (1, 1') angeordnet und mit Auslenksignalcn beaufschlagbar¹ sind.

25. Modulator nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch eine gleichseitige parallele Beaufschlagung der Modulatoren (1,1') mit den Auslenksignalcn.

26. Modulator nach Anspruch 24, dadurch ge-

kennzeichnet, daß die Modulatoren (1, 1') unterschiedlich oder alternierend mit den Auslenksignalen beaufschlagt werden.

Die Erfindung betrifft einen elektrisch ansteuerbaren optischen Modulator zur Intensitätsmodulation eir>es Strahlungsbitndels in Abhängigkeit von einem angelegten Modulationssignal.

Optische Modulatoren bestehen im einfachsten Fall aus einem mechanisch betriebenen, elektrisch ansteuerbaren optischen Verschluß. Die Trägheit solcher Verschlüsse beschränkt jedoch die Anwendungsmöglichkeiten erheblich und läßt viele Betriebsarten der Modulation, zum Beispiel PPM-Mode, Pulsfrequenzmodulation, Pulsdeltamodulation etc. insbesondere mit höheren Frequenzen oder Bit-Raten bzw. kürzere Zeiten nicht zu.

Ferner sind elektrooptische Modulatoren bekannt, bei denen durch Erzeugen bestimmter Volumeneffekte das Licht beim Durchtritt Schwächungen, Beugungen oder Polarisationsänderungen ausgesetzt ist. Hierzu gehören Bragg-Zellen, Mischkristalle, wie z. B. ADP und KDP, Ferrokeramika, z. B. PLZT, Flüssigkristallanordnungen und dergleichen. Mischkristalle wie ADP und KDP haben insbesondere den Nachteil der Beschränkung auf kleine Einfalls- oder Durchtrittswinkel, sowie hohe Absorption. Ferrokeramik wie PLZT sind kompliziert in der Ansteuerung, langsam und von geringem Wirkungsgrad. Flüssigkristallmodulatoren sind sehr langsam. Allen diesen Volumeneffekt-Modulatoren ist gemeinsam, daß aufgrund ihrer hohen Kapazität ein hoher Blindstrom schaltungstechnisch beherrscht werden muß. Die Modulationsrate ist begrenzt, und starke Temperaturabhängigkeit der Transmissionsrate begrenzt die Einsatzmöglichkeiten erheblich. Sie sind darüber hinaus teuer, schwierig normiert produzierbar, empfindlich und kompliziert in der Bearbeitung und haben einen erheblichen Lichtverlust bei Transmission. Bekannt sind auch elektroakustische Modulatoren mit Oberflächeneffekt oder Transmissionseffekt. Diese teilen weitgehend die Nachteile der vorgenannten Modulatoren, insbesondere hinsichtlich der Empfindlichkeit, der Transmissionsverluste sowie auch einer kleinen Apertur und untauglichen Öffr.ungsverhältnissen. Allen vorgenannten, in Transmission arbeitenden Modulatoren ist ferner der Nachteil gemeinsam, daß sie jeweils nur für einen kleinen Wellenbereich der optischen Strahlung einsetzbar sind und daß ferner die Herstellung relativ großflächiger Modulatoren entweder unmöglich oder außerordentlich teuer ist.

Durch die DE-OS 26 31 551 ist ein Spiegel mit veränderbarer Brennweite bekannt, dessen einzelnen Flächenelementen der Reflexionsflächc einzelne Elektroden zugeordnet sind, mit denen ihre Krümmung individuell zur Korrektur von Abbildungsfehlern gesteuert werden kann. Hierbei wird die Gesamtkrümmung des Spiegels durch die Elektroden auf elektrostatischem Weg gesteuert, so daß ein vom Spiegel reflektiertes Strahlungsbündel mit unterschiedlicher Brennweite fokussiert werden kann.

hem Modulationsgrad eingesetzt werden kann, großflächig herstellbar ist und im Prinzip fü·· beliebige Frequenzbereiche der zu modulierenden Strahlung eingesetzt bzw. angepaßt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen optischen Modulator, der gekennzeichnet ist durch eine das Strahlungsbündel reflektierende Reflexionsfläche, die aus einer flexiblen Membran besteht, eine auf der Rückseite der Membran angeordnete ίο Stützplatte, die eine Vielzahl von Stützvorsprüngen aufweist, die die Membran an regelmäßig verteilten Flächenbereichen abstützen und dazwischen liegende Flächenbereiche unabgestützt lassen, und eine mit dem Modulationssignal beaufschlagbare Auslenkeinrichtung zum Ausüben einer Auslenkkraft auf die nicht abgestützten Flächenbereiche der Membran derart, daß diese in eine Konfiguration auslenkbar sind, in der sie eine Streureflexion des Strahlungsbündels bewirken.

Die Reflexionsfläche besteht vorzugsweise aus einer Membran, die auf eine mit parallelen oder sich kreuzenden Nuten versehene Abstützplatte gelegt ist, so daß sie von den zwischen den Nuten verbleibenden Rippen oder Stifen nur auf einem kleinen Teil ihrer Gesamtfläche abgestützt und in den übrigen Teilen auslenkbar ist. Man erhält auf diese Weise einen optischen Oberflächenmodulator, der frei ist von den mit den Transmissionseffekten der üblichen Modulatoren verbundenen Nachteilen. Der Modulationsgrad des erfindungsgemäßen Modulators wird bestimmt durch das Verhältnis der Gesamtfläche der abgestützten, nicht auslenkbaren Flächenbereiche zu den freien, auslenkbaren Flächenbereichen der Membran sowie durch die mittels der Auslenkung erzeugbare Amplitude der konkaven oder auch konvexen Auslenkung dieser Flächenbereiche. Die Auslenkung wird vorzugsweise bewirkt durch Erzeugen eines mit der Membran in Wechselwirkung tretenden elektrostatischen Feldes. Hierzu können auf der Abstützung unterhalb der auslenkbaren Flächenbereiche der Membran angeordnete Leiterbahnen oder Leiterpunkte vorgesehen sein, die mit dem Modulationssignal beaufschlagt werden. Ein Gegensignal kann an die reflektierende Metallschicht der Membran selbst oder an eine oberhalb der Membran angeordnete transparente Platte rr.it zusätzlichen Leiterbahnen angelegt werden. Zur Erzielung eines optimalen Auslenkeffektes werden die Leiterbahnen oder -punkte vorzugsweise so gestaltet, daß sie ein möglichst inhomogenes elektrostatisches Feld erzeugen. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Membran aus einem dielektrischen Material mit mögliehst hoher Polarisierbarkeit besteht. Ein besonders geeignetes Material ist eine Folie aus möglichst temperaturstabilem Kunststoffmaterial, insbesondere mit Elektreteigenschaften bzw. Vorpolarisation.

Die Abstände zwischen den abgestützten bzw. nicht abgestützten Flächenbereichen werden vorzugsweise möglichst klein gehalten, typischerweise im Bereich von 1 mm oder kleiner. Ebenso wird die Tiefe der Nuten oder Zellen unter den nicht abgestützten Flächenbereichen der Membran vorzugsweise gering gehalten, zum Beispiel kleiner als 0,5 mm. Abstützplatten mit von sich kreuzenden Nutenscharen gebildeten Abstützvorrichtungen in derartigen Dimensionen können zum Beispiel hergestellt werden durch Anwendung der bekannten Photo-Masken-Ätztechnik auf eine Platte aus Glaskera-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen opti- _._ „

sehen Modulator mit Eignung für insbesondere digitale 65 mik, Kunststoff, Metall od. g

optische Datenmodulation zu schaffen, der die vorer- pressen eines derartigen Werkstoffs. Nach einem derar-

wahnten Nachteile nicht aufweist, bei hohen Modula- tigen Verfahren können auch die Leiterbahnen oder

tionsfrequenzen, geringer Leistungsaufnahme und ho- -punkte in den Nuten ausgebildet werden