DE1284536B

DE1284536B - Modulierbarer optischer Sender

Info

Publication number: DE1284536B
Application number: DEJ27480A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Erhard; Max; Chang Paul Te-Fu
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1964-02-28
Filing date: 1965-02-09
Publication date: 1968-12-05
Also published as: US3496483A; GB1038329A; FR1425708A

Description

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Die Erfindung betrifft einen optischen Sender mit nungen erläuterten Ausführungsbeispieles beschrieinnerer Modulation unter Ausnutzung des magneto- ben. Es zeigt

optischen Kerr-Effektes bei einer Magnetisierung F i g. 1 in schematischer Darstellung einen opti-

parallel zur Spiegelfläche. sehen Sender mit Mitteln zur Erzeugung eines polari-

Es ist bekannt, Licht, insbesondere kohärentes 5 sierten Lichtstrahles,

Licht, durch Reflexion an einer dünnen magnetischen F i g. 2 eine Anordnung ähnlich der in F i g. 1 Schicht, die in ihrer magnetischen Anisotropie Steuer- gezeigten, jedoch mit Mitteln zur Eliminierung der bar ist, zu modulieren. Der dabei auftretende magneto- bei der Reflexion an magnetischen Metallen aufoptische Kerr-Effekt bewirkt eine Aufteilung des tretenden elliptischen Polarisation, monochromatisch und linear polarisiert auftreffenden _I0 F i g. 3 die Lagen der Polarisationsellipsen, die Lichtstrahles in zwei Komponenten, deren vom sich ergeben, wenn in der Anordnung nach F i g. 2 Grad der Steuerung abhängige Phasenverschiebung die Magnetisierungsrichtung des magnetisierbaren sich in einem Analysator als Änderung der Intensität Spiegels umgekehrt wird,

des Lichtes auswirkt. F i g. 4 Vektordiagramme für die am magnetischen Es ist ferner bekannt, bei einem optischen Sender i₅ Spiegel einfallenden und reflektierten Lichtstrahlen, für kohärentes Licht eine oder beide der den Strahlen- F i g. 5 ein Diagramm, das die Änderungen der gang begrenzenden Spiegelflächen als dünne magneti- Polarisation des Lichts unter dem Einfluß des masche Schichten auszubilden, deren Magnetisierungs- gnetooptischen Kerr-Effektes in Abhängigkeit von richtung über Induktionsspulen geändert werden der Änderung des Einfallswinkels angibt, kann. Dadurch wird das Licht bereits bei seiner Ent- 20 F i g. 6 Vektordiagramme des einfallenden und stehung moduliert, und es wird eine bessere Aus- des reflektierten Lichtes, wenn ein Kompensationsnutzung des an sich schwachen magnetooptischen spiegel entsprechend der in F i g. 2 dargestellten Kerr-Effektes erreicht. Trotzdem bleibt der erzielte Anordnung verwendet wird,

Effekt klein. Nachteilig ist dabei vor allem die an sich F i g. 7 ein Vektordiagramm, aus dem ersichtlich

schon vorhandene elliptische Polarisierung eines an 25 ist, in welcher Weise das Licht bei wiederholten

einer spiegelnden Metallfläche reflektierten, linear Reflexionen an einem magnetischen Spiegel polarisiert

polarisierten Lichtstrahls. wird,

Dieser Nachteil wird erfindungsgemäß bei einem F i g. 8 einen magnetischen Spiegel mit verschieoptischen Sender mit innerer Modulation dadurch den magnetisierten Teilbereichen, die eine große vermieden, daß innerhalb des optischen Resonators 30 Anzahl von dualen Informationen unterbringen, und zusätzlich ein weiterer, dem durch ein parallel zu F i g. 9 den magnetischen Spiegel mit Schaltmitteln seiner Spiegelfläche und zugleich in der Einfallsebene zur Änderung der Magnetisierungsrichtung, des Lichts ausgerichtetes Magnetfeld magnetisier- F i g. 1 zeigt einen optischen Sender mit einem baren Spiegel benachbarter Spiegel angeordnet ist, stimulierbaren Medium, beispielsweise einem Rubindurch den die durch Reflexion an der Metallfläche 35 stab 1, dem die aus einer Lichtquelle stammende entstandene elliptische Polarisation, soweit sie bereits Anregungsenergie L zugeführt wird. Die Elektronen schon ohne den magnetooptischen Effekt auftritt, des Aktivatorions im stimulierbaren Medium 1 wergerade wieder kompensiert wird. den unter der Wirkung der Anregungsenergie unter Vorzugsweise ist der Kompensationsspiegel in einer Umkehrung der natürlichen Besetzungsverteilung in zur Fläche des magnetisierbaren Spiegels senkrechten 40 metastabile Anregungsniveaus angehoben und so und zur Einfallsebene des Lichtes um einen bestimmten zur Lichtemission veranlaßt. An der einen Seite des Winkel geneigten Ebene angeordnet. Eine besonders Rubinstabes befindet sich senkrecht zu seiner geogünstige Anordnung erhält man dadurch, daß die metrischen Achse der Spiegel 2 als erster Begren-Neigung des magnetisierbaren Spiegels zu der geo- zungsspiegel des optischen Resonators, der das Licht metrischen Achse des stimulierbaren Mediums und 45 in das stimulierbare Medium zurückwirft. Auf der die Neigung des Kompensationsspiegels zu der Ein- anderen Seite ist die aus ferromagnetischem Material fallsebene des Lichtes auf den magnetisierbaren bestehende Platte 3 angeordnet, die auf der dem Spiegel jeweils etwa 45° beträgt. In vorteilhafter Rubinstab zugewandten Seite eine hochreflektierende Weise ist einer der beiden, den optischen Resonator Oberfläche besitzt. Die Platte 3 ist so geneigt, daß begrenzenden Spiegel zur Weiterleitung des modulier- 50 das aus dem stimulierten Medium austretende Lichtten Lichtstrahles als teildurchlässiger Spiegel aus- an ihr reflektiert und auf den zweiten Begrenzungsgebildet, spiegel 6 des optischen Resonators geworfen wird. Eine besonders vorteilhafte Ausbildung der erfin- Vom Spiegel 6 wird das Licht wieder auf die Fläche 4 dungsgemäßen Anordnung ist dadurch gegeben, daß und von hier durch das stimulierbare Medium auf die magnetisierbare Spiegelfläche einzeln für sich 55 den Spiegel 2zurückgeworfen, so daß ein das stimuliermagnetisierbare Teilbereiche aufweist, deren Magneti- bare Medium hin und zurück durchlaufender Lichtsierungsrichtungen den Dualwerten von Informa- strahl jeweils zweimal an der Fläche 4 reflektiert wird, tionen zugeordnet sind. Da das stimulierte Licht Wenn der Rubinstab richtig orientiert ist und kohärent ist, kann der magnetisierbare Spiegel in weiter nichts geschieht, ist das in dem optischen viele kleine, einzeln magnetisierbare Bereiche unter- 60 Resonator erzeugte Licht nicht polarisiert mit Austeilt werden, wobei der an ihnen reflektierte Licht- nähme von einer Undefinierten elliptischen Polaristrahl jeweils entsprechend der Richtung des ma- sation, die von der Reflexion an der magnetisiergnetischen Feldes polarisiert ist. Die Polarisations- baren, aber noch nicht definiert magnetisierten Metallrichuing in verschiedenen Bereichen des aus- fläche 4 herrührt. Wenn jedoch die Platte 3 in einer gesandten Lichtstrahles liefert somit eine Anzeige 65 in der Oberfläche 4 gelegenen Richtung magnetisiert der dualen Informationen, denen diese Bereiche wird, tritt ein magnetooptischer Effekt auf, der einen entsprechen. definierten, elliptisch polarisierenden Einfluß auf das Die Erfindung wird an Hand eines in den Zeich- Licht ausübt, jedesmal, wenn es von der Fläche 4

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reflektiert wird. Nach einer Anzahl von Reflexionen Metallfläche charakterisieren, sind in Fig. 5 in Abist das Licht vollkommen elliptisch polarisiert in hängjgkeit von dem Einfallswinkel O₁ aufgetragen, einer Richtung, die von der Richtung der Magneti- Der longitudinale magnetooptische Effekt versierung der Oberfläche 4 abhängt. Es ist ferner wesent- ursacht weitere Änderungen der reflektierten Komiich, daß die Magnetisierungsrichtung nicht nur in 5 ponenten, die gewöhnlich folgendermaßen dargestellt der Oberfläche 4 liegt, sondern auch parallel zu der werden:
Einfallsebene verläuft. Die Begründung hierfür wird

weiter unten gegeben werden. Einer der beiden R_p—r_pE_p+r„,E_s,
Spiegel 2 oder 6 ist wie üblich teildurchlässig ausgebildet. ,0 . R_s = r_sE_s - r,„E
Bei der in F i g. 1 gezeigten Anordnung wird, wie ^s ^s '" ^p
oben erwähnt, auch durch die Reflexion an der noch

unmagnetisierten Metallfläche 4 eine elliptische Po- Die zweiten Ausdrücke auf den rechten Seiten

larisation des Lichtes beobachtet. Die Reflexion an dieser Gleichungen ergeben sich aus dem magneto-

dem Metall wirkt sich in einer Verbreiterung der 15 optischen Effekt. Dabei ist r_m = Q e'^q mit Q als Ampli-

Polarisationsellipse aus, derart, daß die große Achse tude und q als Phase.

dieser Ellipse nicht klar definiert ist. Um diesen Aus der Tatsache, daß die Gleichungen für R_p Nachteil zu vermeiden, ist in F i g. 2 eine Anordnung und R_s die magnetooptischen Parameter mit entgezeigt, die der in F i g. 1 gezeigten entspricht, die gegengesetzten Vorzeichen enthalten, ergibt sich die jedoch zusätzlich einen Kompensationsspiegel enthält, 20 gewünschte polarisierende Wirkung durch die magneder in den Lichtweg zwischen der Metallfläche 4 tisierte Oberfläche. Dabei können nur proportionale und dem Spiegel 6 eingebracht ist. Der Kompen- Änderungen der reflektierten Amplituden als Folge sationsspiegel ist in einer durch die Normale zu der von Reflexionsverlusten zugelassen werden, da diese Oberfläche 4 gegebenen Ebene angeordnet und um durch die Lichtverstärkung ausgeglichen werden, einen Winkel von 45° zu der Einfallsebene des Lichtes 25 Um dies zu erreichen, ist zur Eliminierung des den an der Fläche 4 geneigt. Durch die Wirkung des Polarisationszustand ändernden Einflusses der ReSpiegels 8 wird der Null-Effekt, der elliptisch polari- flexion an der Metallfläche der Kompensationssierende Einfluß, der reflektierenden Metallfläche 4 spiegel 8 in der Weise im Strahlengang angeordnet, unterdrückt. Die nunmehr allein durch den magneto- daß das von der magnetisierten Fläche 4 reflektierte optischen Effekt bestimmte Polarisationsellipse ist 30 Licht von dem Kompensationsspiegel in Richtung wesentlich flacher und besitzt eine klar definierte der Komponente R_s reflektiert wird (Fig. 6). Der große Achse entsprechend der Darstellung in Fig.3. Kompensationsspiegel erzeugt dieselbe Phasendif-Ist die Oberfläche4 in der Richtung M₁ parallel ferenz,! und schwächt die Komponenten parallel zu der Ebene des einfallenden und reflektierten und senkrecht zu der Einfallsebene um denselben Lichtstrahles magnetisiert, so ergibt sich polarisiertes 35 Betrag G wie der magnetisierte Spiegel. Die Kom--Licht, das der Ellipse 10 in F i g. 3 entspricht. Wird ponenten R'_p und R'_s (F ig. 6) haben jetzt dieselbe die Magnetisierung, in die Richtung M₂ umgekehrt, Phasenbeziehung wie E_p und E_s. Ebenso ist der

so ergibt sich eine Polarisierung des Lichtes ent- ^ .· . E_n , . , , „ . R' ~. _

•f j . „„. -,_Λ . „. ⁶_ Quotient -=£· gleich dem Quotienten-^f . Diese· Besprechend der Ellipse 12 in F ig. 3. E„ ° ^ R'_s

Die geometrischen Eigenschaften des mit der Ober- 40 Ziehungen gelten auch, wenn der Lichtweg umgekehrt

fläche der magnetisierbaren Metallplatte 3 zusam- wird. Die Spiegel 2 und 6 ändern den Polarisations-

menwirkenden Lichtes sind in Fig. 4 dargestellt, zustand nicht, und auch der optische Resonator

in der ein einfallender Lichtstrahl / als reflektierter besitzt, wie vorausgesetzt, keine bevorzugte Polari-

Lichtstrahl R von der Metallfläche reflektiert wird. sationsrichtung. Die Polarisation wird somit allein

Die Metallplatte 3 ist in der Richtung M magneti- 45 durch den magnetooptischen Effekt bestimmt,

siert, parallel zu der Einfallsebene, in der die Strah- In F i g. 7 ist durch ein Vektordiagramm gezeigt,

len / und R und auch die Normale JV liegen. Die wie das Licht bei wiederholten Reflexionen an der

Einfalls- und Reflexionswinkel sind dementsprechend Oberfläche 4 polarisiert wird. Es sei angenommen,

mit Θ, und (-)_r bezeichnet. Die elektrischen Vektoren daß das einfallende Licht parallel zu der Z-Richtung

des einfallenden Strahles parallel und senkrecht zu 50 fortschreitet und daß die XZ-Ebene die Einfalls-

der Einfallsebene sind mit E_p und E_s bezeichnet, ebene ist. Der reflektierte Lichtstrahl soll in derselben

während die entsprechenden Vektoren des reflek- Richtung verlaufen wie der einfallende Lichtstrahl,

tierten Strahles mit R_p und R_s bezeichnet sind. Die um die Darstellungen für die einfallenden und die

Metallreflexion verursacht eine Änderung der Ampli- reflektierten Lichtstrahlen übereinanderlegen zu kön-

tuden der reflektierten Vektoren und ruft außerdem 55 nen. Das einfallende Licht besitzt den elektrischen

eine Phasendifferenz. I zwischen ihnen hervor. Die Vektor E, der mit der X-Achse den Winkel « bildet,

reflektierten Komponenten sind demnach: Die Komponente von E parallel zu der Einfallsebene

ist E₁,, und die Komponente senkrecht zu der Einfalls-

Rp= r_pEp, wobei r_p = ρ_;, · e"'", ebene ist £_s. Diese Komponenten werden um den

60 Winkel +6 bzw. —Ά gedreht als Folge der Ampli-

R_x = r,£_v, wobei r„ = ρ_χ · e"'" tude Q des komplexen magnetooptischen Koeffizienten r,„. Uni die Rechnung zu vereinfachen, ist die

ist. /·„ und r_x sind komplexe Größen, während q_p Phase Q vernachlässigt worden,

und ρ_χ den Amplituden von /·,, und r, entsprechen. Die Komponenten von E sind:

Die Phasendifferenz y,, —(.'.v = ' u»d der Quo- 65

tient ''·* = P, weiche die Änderung des Polarisations- ">' ~

zustandes des Lichtes bei der Reflexion an einer £„ = E sin a.

Die einer Drehung unterworfenen Komponenten nach der ersten Reflexion sind unter Ausschluß der Einflüsse der reinen Metallreflexion:

] = E_p cos ο + E_s sin <) = E cos (« - <))■;
R<" = E_s cos i) + E_p sin O = E sin (α + Λ).

Nach der zweiten Reflexion an der magnetisierten Fläche ergeben sich diese Komponenten zu:

R_;<²> = R_n" cos D + RJ¹¹'sin Λ = E cos (« - 2Λ).. R<²⁾ = R<" cos ή + R^'sin Λ = E sin (« + 2Λ).

Nach der «-ten Reflexion ergibt sich:

■ Rj"¹ ■=■-£ cos-(«-« Λ).,

Rf- = £ sin (h + η.Λ). Das nach außen tretende Licht besteht dann aus einzelnen Teilstrahlen, die entsprechend der Magnetisierungsrichtung der einzelnen Teilbereiche in verschiedenen Richtungen polarisiert sind. Diese An-5 Ordnung erlaubt ein gleichzeitiges Auslesen von vielen dualen Informationen, die auf der Metallplatte 3 gespeichert sind.

Die Magnetisierungsrichtung der Oberfläche 4 der Plätte 3 kann durch äußere. Mittel umgeschaltet

ίο werden, wie in Fig. 9 gezeigt. Diese Schaltmittel enthalten einen Leiter 14, der an den gegenüberliegenden Enden der Metallplatte 3 Windungen aufweist und über den Polwendeschalter 15 mit der Stromquelle 16 verbindbar ist. An Stelle des mechänischen Schalters 15 kann, wenn gewünscht, ein elektronischer Schalter treten, der höhere Schaltgeschwindigkeiten erlaubt.

Die neuen Komponenten nach der ersten Reflexion sind R_p ^1] und Ri¹¹," und der sich aus ihnen ergebende elektrische Vektor ist R⁽¹⁾. Die neuen Komponenten von R¹" in den X- und Y-Richlungen sind R_p^.^l) und R_s^\ Bei der nächsten Reflexion an dem magnetisierten Spiegel werden die Komponenten Rf und R<^u von R⁽¹⁾ um die Beträge +ή bzw. '—δ gedreht. Der resultierende Vektor ist R⁽²⁾. Ebenso wird jeder weitere resultierende Vektor in Richtung der Y-Achse gedreht. Nach einer Anzahl von Reflexionen liegt der elektrische Vektor in der Y-Richtung und verharrt in dieser. Wie in Fig. 7 gezeigt, wachsen die elektrischen Vektoren R in bezug auf E an. Das rührt daher, daß die magnetooptische Phase bei der Konstruktion der reflektierten Vektoren vernachlässigt wurde. Wäre die magnetooptische Phase berücksichtigt worden, so hätte man elliptische Oszillationen von R⁽¹⁾ und R⁽²⁾ erhalten. Die mit H markierten Punkte auf den R-Vektoren zeigen ungefähr die Länge der Hauptachsen der Schwingungsellipsen an. Das Anwachsen von R⁽¹⁾ und R⁽²⁾ ist ein Maß für die in die rotierten Komponenten eingegangene Phasendifferenz.

Eine Umkehrung der Magnetisierungsrichtung M in dem magnetischen Spiegel verursacht eine Drehung der ρ und s Komponenten des elektrischen Vektors in die entgegengesetzte Richtung. Hieraus ergibt sich eine Drehung des Lichtvektors in die X-Richtung.

Die dargestellten Mechanismen ergeben somit in einem durch die Reflexionen an dem magnetisierten Spiegel bewirkten, fortschreitenden Prozeß eine Änderung des Polarisierungszustandcs. der in Abhängigkeit von der Magnetisierungsrichtung M in der X- oder !'-Richtung liegt.

Sind in der Oberfläche 4 der Metallplatte 3 verschiedene, in verschiedenen Richtungen magnetisierte Teilbereiche angeordnet, wie in Fig. 8 gezeigt, sei bestimmt jeder dieser Bereiche den Polarisationszustand des von ihm beeinflußten Lichtstrahles.

Claims

Patentansprüche:

1. Optischer Sender mit innerer Modulation unter Ausnutzung des magnetooptischen Kerr-Effektes bei einer Magnetisierung parallel zur Spiegelfläche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des optischen Resonators (2,6) zusätzlich ein weiterer, dem durch ein parallel zu seiner Spiegelfläche und zugleich in der Einfallsebene des Lichts ausgerichtetes Magnetfeld magnetisierbaren Spiegel (3) benachbarter Spiegel (8) angeordnet ist, durch den die durch Reflexion an der Metallfläche (3) entstandene elliptische Polarisation, soweit sie bereits schon ohne den magnetooptischen Effekt auftritt, gerade wieder kompensiert wird.

2. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationsspiegel (8) in einer zur Fläche (4) des magnetisierbaren Spiegels (3) senkrechten und zur Einfallsebene des Lichtes auf den magnetisierbaren Spiegel um einen bestimmten Winkel geneigten Ebene angeordnet ist.

3. Optischer Sender nach den Ansprüchen I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung des magnetisierbaren Spiegels (3) zu der Achse des optischen Senders und die Neigung des Kompensalionsspiegels (8) zu der Einfallsebene des Lichts- jeweils etwa 45 beträgt.

4. Optischer Sender nach den Ansprüchen 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden den optischen Resonator begrenzenden Spiegel (2. 6) zur Weilerleitung des modulierten Lichtstrahls als teildurchlässiger Spiegel ausgebildet ist.

5. Optischer Sender nach den Ansprüchen 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (4) des magnetisierbaren Spiegels (3) einzeln für sich magnetisierbare Teilbereiche aufweist, deren Magnetisierungsrichtungen den Dualwerlen von Informationen zugeordnet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen