DE1281068B

DE1281068B - Anordnung zur Modulation der Ausgangsstrahlung eines optischen Senders

Info

Publication number: DE1281068B
Application number: DEN27290A
Authority: DE
Inventors: Teiji Uchida
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1964-09-08
Filing date: 1965-09-04
Publication date: 1968-10-24
Also published as: NL6511685A; GB1096167A; BE669321A; US3508164A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIs

Deutsche Kl.: 21g-53/14

Nummer: 1281068

Aktenzeichen: P 12 81 068.2-33 (N 27290)

Anmeldetag: 4. September 1965

Auslegetag: 24. Oktober 1968

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Modulation der Ausgangsstrahlung eines optischen Senders, der innerhalb der Reflektoren seines optischen Resonators neben einem stimulierbaren Medium, das polarisierte kohärente Strahlung liefert, einen als Modulator wirkenden Kristall mit großem elektrooptischem Effekt enthält, dessen Stirnflächen senkrecht zu seiner optischen Achse liegen und auf dessen innerer, dem stimulierbaren Medium zugewandter Stirnfläche ein Prisma aufgekittet ist, wobei der brechende Winkel des Prismas gleich dem Komplementärwinkel zum Brewsterschen Winkel ist, unter welchem der polarisierte Strahl, der mit seinem elektrischen Vektor in der Einfallsebene schwingt, auf die äußere brechende Fläche des Prismas auffällt.

Das doppelbrechende Prisma ermöglicht eine Trennung des modulierten von dem nichtmodulierten Licht. Doch befinden sich innerhalb des Resonators zahlreiche Übergangsflächen zwischen Stoffen mit unterschiedlichem Brechungsindex, wodurch sich insgesamt merkliche Reflexionsverluste ergeben. Wenn man z. B. als doppelbrechendes Prisma ein Rochonprisma benutzt, ergeben sich hohe Reflexionsverluste.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die optischen Verluste innerhalb des optischen Resonators möglichst klein zu halten.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das Prisma erstens doppelbrechend ist und aus einem Material besteht, dessen Brechungsindex für den außerordentlichen Strahl ungefähr gleich ist dem Brechungsindex des Modulatorkristalls für den ordentlichen Strahl, und daß das Prisma zweitens so geschnitten ist, daß seine brechende Kante senkrecht und seine aufgekittete Fläche parallel zur optischen Achse seines Materials steht, wobei der Brewsterwinkel des Prismas auf seinen außerordentlichen Strahl bezogen ist.

Durch die Erfindung wird also für das doppelbrechende Prisma ein Stoff vorgeschlagen, dessen Brechungsindex dem des Modulatorkristalls im wesentlichen gleich ist. Das Prisma wird in der angegebenen Anordnung und Ausrichtung mit dem Modulatorkristall verbunden. Damit ergibt sich einerseits das höchstmögliche Maß an Trennung zwischen dem unmodulierten und modulierten Licht und andererseits die Möglichkeit der unmittelbaren Aneinandersetzung von Prisma und Modulatorkristall.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Anordnung zur Modulation der
Ausgangsstrahlung eines optischen Senders

Anmelder:

Nippon Electric Company Limited, Tokio

Vertreter:

Dipl.-Ing. M. Bunke, Patentanwalt,

7000 Stuttgart 1, Schloßstr. 73 B

Als Erfinder benannt:
Teiji Uchida, Tokio

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 8. September 1964 (51 276)

Erfindung schematisch dargestellt. In der Modulationsanordnung für einen optischen Sender ist ein Gasentladungsrohr 11 mit Brewsterschen Fenstern UA und 11 B vorgesehen. Die Normalen zu diesen Fenstern bilden mit der Längsachse des Entladungsrohres den Brewsterschen Winkel. Es sind Spiegel 12/4 und 12 B so angeordnet, daß ein optischer Resonator entsteht. Ein doppelbrechendes Prisma 13 und ein Modulatorkristall 21 sind zwischen dem Entladungsrohr 11 und dem Spiegel 12 B angeordnet. Der Modulator 20 besteht aus einem rechtwinkligen quaderförmigen Kristallstück 21 (dessen Längsseiten sich in Richtung der optischen Achse erstrecken), das aus einem Einkristall, z. B. einem KDP-Kristall, geschnitten ist, der das ausgesandte Licht nur in geringem Maße absorbiert und eine große elektrooptische Wirkung aufweist. In unmittelbarer Nähe der Endflächen sind Elektroden 15 A und 15 B am Kristall angebracht. Durch sie wird eine Modulationsspannung von der Spannungsquelle 14 an den Kristall angelegt, um ein axiales elektrisches Feld zu erzeugen. Ein doppelbrechendes Prisma 13 besteht aus Kalkspat. Eine Prismenseite des Prismas 13 verläuft parallel zu seiner optischen Achse, während die beiden anderen Seitenflächen einen Winkel (ungefähr 62°) bilden, der doppelt so groß ist wie der Komplementärwinkel (d.h. ungefähr 31°) des Brewsterschen Winkels (ungefähr 59°) bei einem Brechungsindex von ungefähr 1,658 für das ordentliche Strahlen-

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bündel in Kalkspat. Der Modulator 20 und das dop- gesetzten Stirnende des Kristalls 21 angebracht. Eine pelbrechende Prisma 13 sind so zueinander angeord- erste Seitenfläche 1 des Prismas 13 verläuft parallel net, daß die Seitenfläche, auf welche das nichtmodu- zu dessen optischen Achse. Diese erste Seitenfläche 1 lierte Licht auffällt, der Brewsterschen reflexions- bildet mit derjenigen zweiten Seitenfläche 2, mit der freien Bedingung für das nichtmodulierte Licht 5 sie sich in der brechenden Kante 3 des Prismas genügt. schneidet, für die außerordentlichen Strahlen den

Das aus dem Entladungsrohr ausgesandte Licht ist Komplementärwinkel (ungefähr 34°) zum Brewsterdurch die beiden Brewsterschen Fenster UA und sehen Winkel bei dem Brechungsindex (ungefähr 11B linearpolarisiert, wobei das elektrische Feld 1,49) von Kalkspat. Das Prisma 13 ist an seiner parallel zu der Einfallsebene oder zu der Zeichen- io ersten Seitenfläche 1 mittels eines optischen Klebers ebene verläuft. Infolgedessen wird das ausgesandte an einem der Stirnenden des Kristalls 21 derart an-Licht an der Eintrittsfläche des doppelbrechenden gebracht, daß die Prismenkante 3 parallel zu der Prismas 13 so lange nicht reflektiert, als keine Modu- X- oder F-Achse des Kristalls 21 verläuft. Wenn der lationsspannung von der Modulationsspannungsquelle Kristall 21 aus einem KDP-Kristall geschnitten ist, 14 mittels der Elektroden 15^4 und 15 B an den Kri- 15 ermöglichen die ungefähr gleichen Werte des stall 21 angelegt ist. Infolgedessen kann der optische Brechungsindex für die ordentlichen Strahlen Sender genügend starkes Licht erzeugen. Mit anderen (ungefähr 1,51) und für die außerordentlichen Strah-Worten, das doppelbrechende Prisma 13 wirkt wie len (ungefähr 1,49) von Kalkspat, aus dem das dopein gewöhnliches Prisma, bei dem das erzeugte Licht pelbrechende Prisma 13 besteht, die Vermeidung von ohne jede Reflexion an den Eintritts- und Austritts- 20 Reflexionen und damit Verlusten an den Grenzflächen gebrochen wird. flächen 1 zwischen dem doppelbrechenden Prisma

Wenn eine Modulationsspannung zwischen den 13 und dem Kristall 21. Der Modulator 20 ist in einer Elektroden 15^4 und 155 angelegt ist, wird ein elek- solchen Weise angeordnet, daß das Licht von dem irisches Feld im Kristall 21 in Richtung der optischen Entladungsrohr 11 auf die zweite Seitenfläche 2 des Achse (Z-Achse) erzeugt. Dieses elektrische Feld er- 25 Prismas 13 so auffällt, daß die Brewstersche rezeugt induzierte optische Achsen X' und Y' im Kri- flexionsfreie Bedingung erfüllt ist. Das ist der Fall, stall, welche in einer Richtung verlaufen, die von der wenn der Einfallswinkel der aus dem Entladungsrohr X- und Γ-Achse des Kristalls um einen Winkel von 11 kommenden Lichtstrahlen gleich dem Brewster-45° verschoben sind. Die Ungleichheit der Brechungs- sehen Winkel (ungefähr 56°) ist und bei einem indizes für die linearpolarisierten Lichtstrahlen, deren 3° Brechungsindex von ungefähr 1,49 für das das dopelektrische Felder in der X'- und y'-Richtung liegen, pelbrechende Prisma 13 durchsetzende außerordenterzeugt eine modulierte Lichtkomponente des linear- liehe Strahlenbündel.

polarisierten einfallenden Lichts, die ein elektrisches Das erzeugte Licht ist linearpolarisiert, wobei die

Feld in Richtung senkrecht zur Ebene des elek- Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes in der frischen Feldes (senkrecht zur Polarisationsebene) 35 Zeichenebene liegt, sofern nicht durch die Modudes linearpolarisierten einfallenden Lichts aufweist. lationsspannung ein elektrisches Feld in Richtung der Die modulierte Lichtkomponente wird auf dem glei- optischen Achse des Kristalls 21 erzeugt ist. Beim chen Lichtweg wie das nichtmodulierte Licht zurück- Anlegen dieses axialen elektrischen Feldes entsteht

geworfen und erreicht das doppelbrechende Prisma eine modulierte Lichtkomponente, deren Polari-

13, wo die modulierte Lichtkomponente wie das 40 sationsebene parallel zu der optischen Achse des außerordentliche Strahlenbündel gebrochen wird und doppelbrechenden Prismas 13 ist. Diese Modulationszu der gegenüberliegenden Seitenfläche verläuft. Da- komponente verläßt das doppelbrechende Prisma 13 bei weicht der Lichtweg 6 von demjenigen des nicht- entlang eines Lichtweges 6, der von dem Lichtmodulierten Lichts ab, da die Ebene des elektrischen weg der Ausgangskomponente abweicht, nachdem Feldes des modulierten Lichts senkrecht zu derjeni- 45 Brechung an der zweiten Seitenfläche 2 entsprechend gen des nichtmodulierten Lichts verläuft, d. h. senk- dem Brechungsindex für den ordentlichen Strahl recht zu der Zeichenebene, und parallel zu der stattgefunden hat. Die Komponente des modulierten optischen Achse des Kalkspats. Wenn die Licht- Lichts kann von derjenigen des erzeugten Lichts um komponente des nichtmodulierten Lichts und des ungefähr 11° abgelenkt und dann zur weiteren Vermodulierten Lichts einen Winkel von ungefähr 17° 5° Wendung abgeleitet werden.

für sichtbares Licht bilden, ist es möglich, nur die In der vorstehenden Erläuterung war davon ausKomponente des modulierten Lichts auf dem ge- gegangen worden, daß das aus dem Entladungsrohr strichelt gekennzeichneten Lichtweg 6 abzuleiten. 11 austretende Licht linearpolarisiert ist. Es ist je-

Das doppelbrechende Prisma 13 hat folgende doch möglich, einen optischen Sender des beschrie-Funktionen: 55 benen Typs mit innerer Modulation unter Verwen-

V₁-,.., -1.OJ j» dung des Modulationsglieds 20 und eines emulgier-

a) Fur das vom optischen Sender ausgesandte baren Festkörpermediums oder einer anderen Anordnichtmodulierte Licht dient es lediglich als em _nung _m _scha|_{eilj bei dem das ausges}trahlte Licht Prisma und nicht linearpolarisiert ist. Dieses ist deshalb möglich,

b) für die modulierte Lichtkomponente als ein 60 weil das Modulationsglied 20 Brewstersche Flächen Diskriminator, in dem nur die modulierte Korn- an der zweiten Seitenfläche 2 des Prismas 13 aufweist, ponente selektiv herausgezogen wird. wo nichtpolarisierte Strahlen in linearpolarisierte

Strahlen umgewandelt werden. Der in dem Ausfüh-

Im einzelnen ist das doppelbrechende Prisma 13 rungsbeispiel unmittelbar an dem Kristall 21 angean dem Kristall 21 unmittelbar so angesetzt, daß es 65 brachte Spiegel 12 B kann von diesem Kristall einen einem der Brewsterschen Fenster 11B des Ent- Abstand aufweisen; auch kann das Prisma 13 an der Iadungsrohres 11 direkt gegenübersteht. Darüber gegenüberliegenden Stirnfläche des Kristalls 21 zwihinaus ist der Spiegel 1227 direkt an dem entgegen- sehen dem Kristall 21 und dem Spiegel 125 ange-

bracht sein, um die Brewstersche Nichtreflexions-Bedingung zu erfüllen. Außerdem kann der Spiegel 12 B durch einen auf der Stirnfläche des Kristalls 21 unmittelbar aufgebrachten reflektierenden Belag ersetzt werden.

Der Kristall 21 muß nicht aus einem KDP-Kristall geschnitten sein. Er kann beispielsweise aus folgenden Kristallen bestehen: Kaliumdideuteriumphosphat KD₂PO₄, Kaliumdihydrogenarsenat KH₂AsO₄, Kaliumdideuteriumarsenat KD₂AsO₄, Ammoniumdihydrogenphosphat NH₄H₂PO₄, Ammoniumdihydrogenarsenat NH₄H₂AsO₄, "Rubidiumdihydrogenphosphat RbH₂PO₄ oder anderen Kristallen des Tetragonalsystems sowie aus Kupfer(I)-chlorid, Zinksulfit oder anderen Kristallen des kubischen Systems geschnitten sein, welche einen großen elektrooptischen Effekt zeigen.

Selbstverständlich kann das doppelbrechende Prisma 13 auch aus anderen Materialien als Kalkspat bestehen.

In dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde der Kristall 21 und das Prisma 13 so angeordnet, daß das elektrische Feld des im optischen Resonator erzeugten Lichts parallel zu der X- oder F-Achse des Kristalls 21 verläuft, um die Intensitätsmodulation zu vergrößern. Dieses ist nicht die einzige Winkelbeziehung zwischen der X- oder F-Achse des Kristalls und der senkrecht zum elektrischen Feld verlaufenden Polarisationsebene der Komponente des erzeugten Lichts. Insbesondere, wenn die Polarisationsebene der nichtmodulierten Lichtkomponente um 45° von der X- oder Y"-Achse gedreht wird, ist es möglich, eine Phasenmodulation des vom optischen Sender erzeugten Lichts zu erhalten, weil die Polarisationsebene der linear polarisierten Komponente des erzeugten Lichts dann parallel zu den induzierten optischen Achsen X' oder F' verläuft und der Brechungsindex des Kristalls 21 sich mit der Modulationsspannung ändert, wobei Lichtweg und Lichtgeschwindigkeit dieses linearpolarisierten Lichts geändert werden. Bekanntlich werden die induzierten optischen Achsen X' oder Y' durch die Modulationsspannung erzeugt, die in Richtung der optischen Achse angelegt wird.

Aus diesen Darlegungen ergibt sich nun, daß bei der beschriebenen Anordnung die Lichtkomponente des modulierten Lichts von derjenigen getrennt werden kann, die zwischen den Spiegeln 12 A und

B hin- und hergeworfen wird, und zwar wirksamer als mit jeder bisher bekannten Anordnung.

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Modulation der Ausgangsstrahlung eines optischen Senders, der innerhalb der Reflektoren seines optischen Resonators neben einem stimulierbaren Medium, das polarisierte kohärente Strahlung liefert, einen als Modulator wirkenden Kristall mit großem elektrooptischen Effekt enthält, dessen Stirnfläche senkrecht zu seiner optischen Achse liegen und auf dessen innerer, dem stimulierbaren Medium zugewandter Stirnfläche ein Prisma aufgekittet ist, wobei der brechende Winkel des Prismas gleich dem Komplementärwinkel zum Brewsterschen Winkel ist, unter welchem der polarisierte Strahl, der mit seinem elektrischen Vektor in der Einfallsebene schwingt, auf die äußere brechende Fläche des Prismas auffällt, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma (13) erstens doppelbrechend ist und aus einem Material besteht, dessen Brechungsindex für den außerordentlichen Strahl ungefähr gleich ist dem Brechungsindex des Modulatorkristalls (21) für den ordentlichen Strahl, und daß das Prisma zweitens so geschnitten ist, daß seine brechende Kante (3) senkrecht und seine aufgekittete Fläche (1) parallel zur optischen Achse seines Materials steht, wobei der Brewsterwinkel des Prismas auf seinen außerordentlichen Strahl bezogen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die äußere Stirnfläche des Modulatorkristalls ein Reflektor (12 B) aufgebracht ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (125) aus einem reflektierenden Belag besteht.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein doppelbrechendes Prisma (13) aus Kalkspat.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschriften Nr. 1 306 777,
1362 072;

Optical Masers (Symposium Proceedings, Bd. 13), Polytechnic Press New York 1963, S. 243 bis 252, insbesondere Fig. 5, S. 248.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen