DE3131227C2 - Elektrisch ansteuerbarer optischer Modulator - Google Patents
Elektrisch ansteuerbarer optischer ModulatorInfo
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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;
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.
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)
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
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