DE1134727B - Modulator fuer sehr kurze linear polarisierte elektromagnetische Wellen - Google Patents

Modulator fuer sehr kurze linear polarisierte elektromagnetische Wellen

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DE1134727B
DE1134727B DES73957A DES0073957A DE1134727B DE 1134727 B DE1134727 B DE 1134727B DE S73957 A DES73957 A DE S73957A DE S0073957 A DES0073957 A DE S0073957A DE 1134727 B DE1134727 B DE 1134727B
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Germany
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thin layer
modulator
light
linearly polarized
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DES73957A
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English (en)
Inventor
Dr Karl Euler
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/09Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on magneto-optical elements, e.g. exhibiting Faraday effect

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Description

  • Modulator für sehr kurze linear polarisierte elektromagnetische Wellen Die Erfindung bezieht sich auf einen Modulator für sehr kurze linear polarisierte elektromagnetische Wellen, insbesondere mit einer im Bereich der Lichtwellen liegenden Wellenlänge, unter Verwendung eines für die Wellen wenigstens teilweise transparenten, unter dem Einfluß eines Magnetfeldes die Polarisationsebene der Wellen drehenden Mediums.
  • Es ist bekannt, daß eine linear polarisierte Lichtwelle, welche durch ein transparentes Medium geht, das unter dem Einfluß eines starken magnetischen Feldes in Richtung der Lichtfortpflanzung steht, einer Rotation der Polarisationsebene unterworfen wird. Der Rotationswinkel ist proportional der Länge des Mediums, durch welches die Wellen hindurchgehen, und der Intensität des magnetischen Feldes. Dieser Effekt ist als der Faraday-Effekt bekannt. Es sind auch Modulatoren für Hochfrequenzschwingungen bekannt, die eine Polarisationsbeeinflussung in einem Hohlleitungsabschnitt bewirken, der teilweise mit Ferrit ausgefüllt ist, das von einer Modulationsspule entsprechend der Modulation vormagnetisiert wird. Bei diesen bekannten Anordnungen ist es relativ schwierig, hohe Modulationsfrequenzen, beispielsweise bis in den Bereich von 1 GHz hinein, einwandfrei zu verarbeiten. Vor allem machen sich schädliche Kapazitäten und Trägheitserscheinungen störend bemerkbar.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Modulator zu schaffen, der nach dem Prinzip der Polarisationsdrehung arbeitet und auch bei hohen Modulationsfrequenzen einwandfrei arbeitet. Insbesondere soll dieser Modulator auch für Lichtwellen geeignet sein, die von einer Lichtquelle praktisch konstanter Intensität, wie eine Glühlampe, ausgehen.
  • Ausgehend von einem Modulator für sehr kurze linear polarisierte elektromagnetische Wellen, insbesondere mit einer im Bereich der Lichtwellen liegenden Wellenlänge, unter Verwendung eines für die Wellen wenigstens teilweise transparenten, unter dem Einfluß eines Magnetfeldes die Polarisationsebene der Wellen drehenden Mediums, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß in der Weise gelöst, daß als die Polarisationsebene drehendes Medium eine lichtdurchlässig dünne Schicht aus magnetisierbarem Material vorgesehen ist, die im Feldbereich einer von dem Modulationsstrom durchflossenen Spule angeordnet ist, und daß diese dünne Schicht derart in Richtung und Stärke vormagnetisiert ist, daß die Ummagnetisierung durch den Modulationsstrom im Bereich der kohärenten Rotation erfolgt.
  • Vorteilhaft ist es, wenn zur Vormagnetisierung ein äußeres magnetisches Gleichfeld dient. Dabei empfiehlt es sich, wenn, in Wellenausbreitungsrichtung betrachtet, hinter der dünnen Schicht gelegen, ein Analysator zur Auskopplung der die dünne Schicht durchdringenden Welle vorgesehen ist. Unter einem Analysator wird bekanntlich ein Polarisationsfilter verstanden, das zur Analyse der Polarisationsebene von Wellen dient, die die dünne Schicht durchdrungen haben. Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die dünne Schicht schräg zur Einfallrichtung der Wellen angeordnet ist, und wenn eine Auskopplungsvorrichtung für die an der Schicht reflektierten Wellen vorgesehen ist.
  • Dünne magnetisierbare Schichten, vorzugsweise aus Permalloy, sind an sich bekannt. Sie werden für überschnelle Nachrichtenspeicher hergestellt und sind bei einer Dicke von 500 A und darunter lichtdurchlässig. Derartige dünne Schichten sind auch für parametrischen Betrieb bereits vorgeschlagen und auch in der Verwendung als regelbare Induktivitäten. Die Herstellung derartiger Schichten geschieht entweder durch Aufdampfen, Aufstäuben oder galvanisches Aufbringen auf einen nichtmagnetischen Träger. Sie besitzen eine Vorzugsrichtung, und für Magnetisierungen quer zu dieser Richtung lassen sich ihre magnetischen Eigenschaften nicht mehr durch eine einzige Hystereseschleife beschreiben; vielmehr ist es zweckmäßig, hierfür die sogenannte kritische Kurve (Astroide) anzugeben. Die Astroide ist eine allgemeine Aussage über die Eigenschaften dünner Schichten; sie beinhaltet sämtliche vorkommenden Hystereseschleifen und beschreibt außerdem noch den Mechanismus, durch den jeweils das Ummagnetisieren zustandekommt (Wandverschiebung, Spinrotation). Eine genaue Erläuterung der Astrolde findet sich in der Arbeit von P r o eI s t e r, Methfessel und Kingberg, »Thin magnetic films« UNESCO/NS/ICIP/K.2., wo extrem dünne magnetisierbare Schichten, vor allem aus Permalloy, als Speicherelemenete für Rechenanlagen behandelt werden. Aber nicht nur dieser unterschiedliche Anwendungszweck ist dort im Vergleich zum Erfindungsgegenstand gegeben, sondern auch die Betriebsart, die ein wesentliches Merkmal des Erfindungsgegenstandes mit bildet, ist dort anders. Bei diesen Informationsspeichern für Rechenanlagen kommt es nämlich darauf an,. nur ein Kippen der inneren Magnetisierung der Schicht in zwei entgegengesetzten Richtungen sicherzustellen. Beim Erfindungsgegenstand wird demgegenüber ein gewisser Bereich ständig durchlaufen, und darauf kommt es ganz besonders an.
  • In der Fig.9. ist die Astroide einer derartigen dünnen Schicht gezeigt. Wird die Schicht durch ein magnetisches Kraftfeld beaufschlagt, dessen Linien parallel zur Vorzugsrichtung HL (=leichte Richtung) liegen, so läßt sich die Größe des Feldes in die Abszisse H, des Diagramms einzeichnen.
  • Bei senkrecht dazu stehendem Feld gilt ein Wert auf der Ordinate H" und ein Punkt an beliebiger Stelle im Diagramm bedeutet ein schräges Feld, das sich aus einer Komponente Hl und einer Komponente H, zusammensetzen läßt.
  • Dieser Punkt beschreibt also die Amplitude und Richtung des beaufschlagenden Feldes. Die sich in der dünnen Schicht einstellende Magnetisierung M (M entspricht in sehr guter Näherung der Induktion B) findet man durch folgende Konstruktion. Von dem Punkt aus legt man die Tangente an die Astroide. Die Tangente gibt die Richtung der in der Schicht sich einstellenden Magnetisierung an; ihr Betrag ist immer gleich groß, unabhängig davon, welche Größe das Primärfeld hat. Diese Konstruktion ist für zwei Beispiele, die Punkte P1 und P2 in der Fig. 1, durchgeführt. Für P2 sind zwei Magnetisierungen möglich, welche sich einstellt, hängt von der Vorgeschichte der Schicht ab: Im Gegensatz zu den meisten magnetischen Materialien ist es also durchaus möglich, daß die magnetische Induktion B eine andere Richtung hat als die magnetische Feldstärke H.
  • Man erkennt, daß sich bei sämtlichen Punkten außerhalb der Astroide auf der linken Seite des Diagramms eine nach links gerichtete Magnetisierung einstellt. Analoges gilt für die rechte Seite. Innerhalb der Astroide sind stets beide Fälle möglich. Diesem Verhalten innerhalb: der Astroide entspricht eine Hysterese, denn für ein angelegtes Feld sind zwei Induktionen möglich, eine positive (=rechte) und eine negative (=linke). Fernerhin sind in die Astroide noch Bereiche eingezeichnet, die angeben, durch welchen physikalischen Vorgang die dünne Schicht ummagnetisiert wird. Bewegt sich ein Arbeitspunkt z. B. innerhalb des rechten oder linken Zipfels der Astroide, geschehen die Induktionsänderungen durch Blochwandverschiebung. Außerdem sind noch Magnetisierungsänderungen durch kohärente und inkohärente Rotation möglich. Bei der ersten drehen sich sämtliche Spins einer dünnen Schicht gleichzeitig von ihrem Anfangs- in den Endzustand; dieser Vorgang ist nahezu trägheitslos. Inkohärente Rotation bedeutet, daß sich die Spin-Richtungen nacheinander, statistisch verteilt, ändern. Bei dem erfindungsgemäßen Modulator soll nur der Bereich der kohärenten Rotation verwendet werden.
  • Wenn der Arbeitspunkt A auf der Geraden G (vgl: Fig.2) wandert, ergibt sich ein verlustfreier Arbeitsbereich, in dem eine nahezu trägheitslose Modulation der zu beeinflussenden Wellen möglich ist. Die Gerade G liegt parallel zur leichten Achse H, und ist mindestens so weit nach oben (Gerade G) bzw. nach unten (Gerade G') verschoben (beide Bereiche sind brauchbar), daß sie die innere Astroidenfläche nicht schneidet. Das ist wesentlich, weil hierdurch Hysteresefreiheit erzwungen ist. Der Arbeitspunkt durchläuft dabei stets den Bereich kohärenter Rotation.
  • Die Verschiebung der Arbeitsgeraden aus dem Koordinatenursprung geschieht durch die Vormagnetisierung in der Richtung HS, Die Modulationsspule ist so anzubringen, daß sie mit den Kraftlinien in der Richtung HL verkettet ist. Ein entsprechender Aufbau ist in der Fig. 3 gezeigt. L 1 und L 2 sind die Anschlüsse der Modulationsspule und die senkrecht dazu stehende Spule dient zur Gleichstromvonmagnetisierung H". Durch einen der Modulationsspule zusätzlich zum Modulationsstrom zugeführten Gleichstrom läßt sich somit die Lage des Arbeitspunktes innerhalb des Diagramms eindeutig festlegen. Die Vormagnetisierung in Richtung der Modulationsspule ist auch in der Weise möglich, daß .eine von der Vormagnetisierungsspule getrennte, jedoch hierzu achsengleiche Spule vorgesehen wird, die nur der Zuführung eines Vormagnetisierungsstromes dient.
  • An Stelle der beiden Vormagnetisierungsspulen, die senkrecht zueinander stehen, ist auch eine einzige, schräg stehende Vormagnetisierungsspule möglich, in der der entsprechende Strom fließt. Außer mit Hilfe von stromdurchflossenen Spulen kann die Vormagnetisierung auch durch Permanentmagnete erzeugt werden, wobei sich z. B. magnetische Nebenschlüsse zur genauen Einstellung des Arbeitspunktes A empfehlen.
  • Eine weitere, für die Zwecke der Erfindung gut geeignete Arbeitsgerade ist in der Fig. 4 gezeigt. Auch hier geht die Arbeitsgerade G nur durch den Bereich der kohärenten Rotation. Durch eine Vormagnetisicrung H", diesmal in leichter Richtung HI, wird bezweckt, daß sich der Arbeitspunkt stets in der linken Hälfte des Diagramms befindet. Der rechts der Ordinate gelegene Bereich ist analog ausnutzbar. Damit sind Spins (= Magnetisierungen) immer nach links gerichtet. Dies gilt auch für den Bereich innerhalb der Astroide, wo im allgemeinsten Fall ja beide Richtungen möglich wären. Es wird also erreicht, daß auch innerhalb der Astroide kein Aufspalten in eine hystereseartige Erscheinung auftrifft, und die entsprechenden Verluste werden somit vermieden. Für die Einstellung des Gleichstrom-Arbeitspunktes bzw. die Vormagnetisierung gilt das zur vorstehend geschilderten Arbeiseraden Gesagte.
  • In der Fig. 5 ist ein- Lichtmodulator nach der Lehre der Erfindung dargestellt. L ist eine Lichtquelle, die paralleles Licht liefert. L könnte beispielsweise ein Laser sein: Unter einem Laser wird ein im Gebiet der Lichtwellen arbeitender Maser verstanden (vgl. z. B. Electronics, Juli 1960, S. 43). P1 und P2 sind Polarisationsfilter (Polarisator und Analysator), und D ist die dünne Schicht, die um den Winkel a schräg zur übrigen Anordnung angebracht ist (a kann beispielsweise 45° sein). Nicht eingezeichnet ist das Spulenpaar, durch welches die Schicht in leichter und schwerer Richtung entsprechend den vorstehenden Ausführungen vormagnetisiert wird. Die Spulenströme sollen so eingestellt sein, daß die Spins die Richtung S haben. Am Ende der Anordnung bei M tritt das modulierte Licht aus.
  • In der Fig. 6 ist nochmals ein Teil der Versuchsanordnung (von oben gesehen) dargestellt. S ist der summarische Spinvektor. Durch sein Komponente S' wird das polarisierte Licht gedreht. Der Analysator ist so eingerichtet, daß das so gedrehte Licht durchgelassen wird. Bei einer beliebigen anderen Lage des Magnetisierungsfaktors S tritt weniger oder kein Licht aus dem Analysator aus. Die Modulationsspule ist mit Mod bezeichnet.
  • Wegen der schnellen Ummagnetisierbarkeit dünner Magnetschichten ist die Anordnung bis zu Modulationsfrequenzen von z. B. 1 GHz verwendbar.
  • In analoger Weise kann auch die Tatsache, daß von dünnen Schichten auch das reflektierte Licht in der Polarisation gedreht wird (Kerr-Effekt), zur Konstruktion eines Modulators in der bereits erwähnten Weise verwendet werden.

Claims (4)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Modulator für sehr kurze linear polarisierte elektromagnetische Wellen, insbesondere mit einer im Bereich der Lichtwellen liegenden Wellenlänge, unter Verwendung eines für die Wellen wenigstens teilweise transparenten, unter dem Einfluß eines Magnetfeldes die Polarisationsebene der Wellen drehenden Mediums, dadurch gekennzeichnet, daß als die Polarisationsebene drehendes Medium eine lichtdurchlässig dünne Schicht aus magnetisierbarem Material vorgesehen ist, die im Feldbereich einer von dem Modulationsstrom durchflossenen Spule angeordnet ist, und daß diese dünne Schicht derart in Richtung und Stärke vormagnetisiert ist, daß die Ummagnetisierung durch den Modulationsstrom im Bereich der kohärenten Rotation erfolgt.
  2. 2. Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vormagnetisierung ein äußeres magnetisches Gleichfeld dient.
  3. 3. Modulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß, in Wellenausbreitungsrichtung betrachtet, hinter der dünnen Schicht gelegen, ein Analysator zur Auskopplung der die dünne Schicht durchdringenden Welle vorgesehen ist.
  4. 4. Modulator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht schräg zur Einfallrichtung der Wellen angeordnet ist, und daß eine Auskopplungsvorrichtung für die an der Schicht reflektierten Wellen vorgesehen ist.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1284480B (de) * 1963-02-07 1968-12-05 Eltro Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Modulation von Mikrowellen mit Strahlung hoeherer Frequenz oder zur Modulation von Strahlung hoeherer Frequenz mittels Mikrowellenenergie
DE1290986B (de) * 1963-01-18 1969-03-20 Siemens Ag Frequenzverdoppler und dessen Verwendung zur Erzeugung quadratischer Mischprodukte

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