DE1287229B

DE1287229B - Frequenzwandler

Info

Publication number: DE1287229B
Application number: DEW41624A
Authority: DE
Inventors: Giordmaine Joseph Anthony; Miller Robert Charles
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1965-05-27
Filing date: 1966-05-20
Publication date: 1969-01-16
Also published as: GB1141512A; NL6607388A; BE681375A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen im optischen ein hoher Wechselwirkungswirkungsgrad sichergestellt Bereich arbeitenden Frequenzwandler mit einem ist.

nichtlinearen elektrooptischen doppelbrechenden Kri- Es ist zwar wegen der Temperaturabhängigkeit der

stall, durch den ein kohärenter Eingangslichtstrahl Doppelbrechung in derartigen Materialien wie LiNbO₃ unter einem derartigen Winkel zur optischen Achse 5 oder Kaliummonophosphat (KDP) eine Schwingungsso hindurchgeleitet wird, daß dieser Strahl zwei erzeugung möglich, aber die Verwendung der Tempeweitere Frequenzen innerhalb des Kristalls auslöst, ratur als ein steuernder Parameter führt gewisse die in ihrer Phase einander angepaßt sind und die Probleme oder Nachteile ein, die allgemein temperaturzugleich im Kristall in ihrer Frequenz modulierbar gesteuerten Anordnungen eigen sind. Eine Frequenzbzw, steuerbar sind. io änderung mit Hilfe einer Temperatursteuerung ist ein Ein älterer Vorschlag des Erfinders bezieht sich relativ langsamer Prozeß, folglich sind derartige Anauf nach parametrischen Prinzipien arbeitenden Vor- Ordnungen auch praktisch als Modulatoren unbrauchrichtungen, die bei optischen Frequenzen Schwin- bar. Zusätzlich ist bei einem fixierten Frequenzgungen erzeugen und unter Verwendung von Lithium- ausgang eine derartige Anordnung nicht vollständig metaniobat (LiNbO₃), einem nichtlinearen, doppel- 15 stabil, wiederum wegen der Regelträgheit, die thermobrechenden kristallinen Material, aufgebaut sind. Es statischen Systemen zum Aufrechterhalten einer konhandelt sich hierbei ebenfalls im Effekt um Frequenz- stanten Temperatur und damit einer ausgangswandler. Die Eigenschaft der Doppelbrechung ermög- konstanten Frequenz eigen ist. licht, daß parametrische Wechselwirkungen innerhalb Die Erfindung zielt darauf ab, einen frequenzdes Kristalls erreicht werden, und zwar über die 20 stabilen Ausgang von einem Frequenzwandler der Phasenanpassung der verschiedenen Wellen des para- eingangs beschriebenen Art zu erhalten, und zwar metrischen Prozesses. Nach dem älteren Vorschlag trotz kleiner Temperaturänderungen und Regelungswird ein Phasenabgleich erreicht durch Einstellung trägheit, die thermisch gesteuerten Anordnungen eigen der Doppelbrechung, die definiert ist als die Differenz sind. Insbesondere sollen hierbei auch genau gesteuerte zwischen den Brechungsindizes für ordentliche bzw. 25 Frequenzänderungen oder Amplitudenänderungen im außerordentliche Strahlen. Diese Differenz und folg- Ausgang erzeugt werden können, so daß die Möglichlich die Doppelbrechung ist ein Maximum, wenn keit einer Frequenz- bzw. Amplitudenmodulation erdie Strahlen senkrecht zur optischen Kristallachse öffnet wird.

orientiert sind, und ein Minimum, d. h. Null, wenn Für den eingangs erwähnten Frequenzwandler ist

die Strahlen parallel zur optischen Kristallachse ver- 30 hierzu erfindungsgemäß vorgesehen, daß der nicht-Iaufen. Da die Geschwindigkeit einer Welle durch lineare elektrooptische Kristall innerhalb eines opden Kristall, der dispersiv ist, mit zunehmender tischen Resonators angeordnet ist und zusätzlich zu Frequenz abnimmt und auch umgekehrt-proportional seiner elektrooptischen Modulation zum Zwecke einer zum Brechungsindex ist, folgt,_daß Phasenabgleich Frequenzabstimmung in seiner Temperatur steuerbar erreicht werden kann durch Ändern der Doppel- 35 ist.

brechung, vorausgesetzt, daß adäquate Doppel- Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird

brechung für die erfaßten Frequenzen vorhanden ist. ein kohärenter Lichtstrahl, der vorzugsweise eben Die Doppelbrechung kann durch Drehen des Kristalls polarisiert ist, von einem optischen Sender, z. B. mit so geändert werden, indem die Winkelorientierung einem stimulierbaren Medium aus mit Neodym des Strahls zur optischen Kristallachse geändert wird. 40 dotiertem Calcium-Wolframat (CaWO₄:Nd³⁺), auf Eine weitere Anordnung zur Änderung der Doppel- einen nichtlinearen doppelbrechenden Kristall, z.B. brechung, die für die Erfindung bedeutungsvoll ist, einen LiNbO₃- oder KH₂PO₄-Kristall, gerichtet, und ist eine solche, bei der die Temperatur des Kristalls zwar normal zu seiner optischen Achse, so daß ein geändert wird. zweiter harmonischer Ausgang vom Kristall erhalten

Ein Phasenabgleich der Wellen oder Strahlen inner- 45 wird. Der zweite harmonische Strahl wird in einen halb des Kristalls hat die Wirkung einer Erhöhung zweiten Kristall, z.B. in einen LiNbO₃-Kristall, unter der Kohärenzlänge, d. h. der Länge, über die Wechsel- rechtem Winkel zu seiner optischen Achse eingegeben. Wirkung auftritt. Da Materialien des hier betrachteten Diese zweite Kristall, der auf seinen Stirnflächen di-Typus Doppelbrechung immer dann besitzen, wenn elektrische Beschichtungen zur Bildung eines optischen der Strahl oder die Welle unter einem von 90 oder 0° 50 Resonators aufweist, wird auf »konstanter« Temperatur zur optischen Achse abweichenden Winkel orientiert mit Hilfe geeigneter Methoden gehalten, so daß ist, was dann auftritt, wenn eine Kristalldrehung vor- Schwingungen auf parametrischem Wege im Kristall gesehen ist, ist jedoch die Kohärenzlänge nicht so entstehen und eine Ausgangsstrahlung erhalten wird, groß, wie sie theoretisch sein kann, folglich ist der deren Frequenz von der Temperatur des Kristalls Wirkungsgrad des parametrischen Prozesses ver- 55 bestimmt ist. Zur Sicherstellung einer konstanten ringert. Diese Einschränkung des Wirkungsgrades Ausgangsfrequenz wird ein Teil des Ausgangsstrahls kann effektiv dadurch entfernt werden, daß von der in einer noch zu beschreibenden Weise überwacht, Temperaturabhängigkeit der Doppelbrechung Ge- und es wird eine Spannung erzeugt, deren Größe ein brauch gemacht wird. Der auf den Kristall einfallende Maß für die Abweichung von der gewünschten Fre-Strahl kann unter 90° zur optischen Achse orientiert 60 quenz ist. Diese Spannung wird an den Kristall dersein, der Bedingung für maximalen Wirkungsgrad, artig angelegt, daß die Brechungsindizes und folglich und die Temperatur des Kristalls wird geändert, um die Frequenzen innerhalb des Kristalls mit Hilfe des den gewünschten Phasenabgleich für die jeweils in linearen elektrooptischen Effekts geändert werden, Rede stehenden Frequenzen zu erreichen. Bei einem und zwar im Sinne einer Korrektur der Frequenzparametrischen Oszillator können die Ausgangs- 65 abweichung. Als Folge hiervon ist eine sehr schnelle frequenzen des Kristalls durch Ändern der Temperatur automatische Frequenzsteuerung sichergestellt, und geändert werden, während der Winkel zwischen Welle die Ausgangsfrequenz des Kristalls ist stabilisiert, und optischer Achse bei 90° belassen wird, wodurch Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Er-

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findung erhält man eine in der Frequenz genau der Lichtstrahl eben polarisiert. Unter diesen Bedinsteuerbare Anordnung durch Anlegen einer ent- gungen erzeugt der Kristall 12 einen Ausgangsstrahl, sprechenden Spannung an den Kristall, die von einer der nicht nur die Grundfrequenz co₀ des optischen unabhängigen Quelle stammt. Als Folge können Senders 11 führt, sondern zusätzlich Komponenten grobe oder große Frequenzänderungen mit Hilfe 5 der zweiten Harmonischen bei einer Frequenz ω_ρ, gesteuerter Temperaturänderungen erreicht werden, die gleich dem Doppelten von co₀ ist. Zur optimalen während Feineinstellungen über Änderungen der an- Erzeugung von Harmonischen wird der Kristall 12 gelegten Spannung erfolgen. Diese Anordnung kann bei einer solchen Temperatur betrieben, bei der optimit dem ersten Ausführungsbeispiel kombiniert wer- maler Phasenabgleich für die Erzeugung der zweiten den, oder sie kann dazu verwendet werden, eine io Harmonischen erhalten wird. Die hierfür erforder-Modulation des Ausgangssignals in den Wellen zu liehe Temperaturregeleinrichtung ist bei 13 schemaerzeugen, in denen die Spannungsquelle eine Signal- tisch angedeutet. Die Temperaturregeleinrichtung 13 quelle ist. kann irgendeine übliche bekannte Ausführung sein.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Er- Das Ausgangslicht des Kristalls 12 geht durch ein findung werden eine Anregungsfrequenz und eine 15 Filter 14, das die Frequenz <w₀ ausfiltert und die Signalfrequenz in den Kristall eingeführt und ihre Frequenz co_p durchläßt. Das durchgelassene Licht der Phase für optimale Signalverstärkung auf para- Frequenz ω_ρ wird einem weiteren nichtlinearen doppelmetrischem Wege abgeglichen. Ein elektrisches Feld, brechenden Kristall 16, z.B. einen Lithiummetaniobatdem der Kristall ausgesetzt wird, ändert den Phasen- kristall, eingegeben, und zwar in einer Richtung senkabgleich und folglich den Verstärkungsgrad des 20 recht zur optischen Achse. Der Kristall 16 ist auf Signals. Der Ausgang des Kristalls ist daher ein seinen Stirnflächen mit dielektrischen Spiegelschichten amplitudenmoduliertes Signal. 17 und 18 versehen, die einen optischen Resonator

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Er- bilden, der bei der gewünschten Schwingungsfrequenz

findung wird ein Paar elektrischer Felder längs zweier resonant ist. Alternativ hierzu kann der Resonator

Achsen des Kristalls in einem spezifischen Verhältnis 25 auch durch Spiegel gebildet sein, die im Abstand vom

zugeführt oder ein einziges Feld, das unter einem Kristall einander gegenüberstehen, wodurch eine

Winkel dem Kristall zugeführt wird, der durch dieses Einstellmöglichkeit der Resonanzfrequenz des op-

Verhältnis definiert ist, so daß die Frequenz- tischen Resonators erhalten wird. Die Spiegelschichten

Verschiebungsaffekte (pulling effect) der Eigen- 17 und 18 sind, wie für optische Verstärker üblich,

schwingungen des optischen Resonators überwunden 30 teildurchlässig.

werden und eine genaue elektrische Abstimmung des Der Kristall 16 wird ebenso wie der Kristall 12

Kristallausgangs erhalten wird. auf konstanter Temperatur mit Hilf e einer Temperatur-

Bei allen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird regeleinrichtung 19 gehalten. Wie eingangs erläutert,

eine Spannung an den Kristall angelegt, so daß eine erlaubt die Nichtlinearität der Doppelbrechung der

Steuerung der Ausgangsfrequenz über den linearen 35 Kristalle des vorliegenden Typus eine parametrische

elektrooptischen Effekt erhalten wird. Diese Spannungs- Wechselwirkung über einen breiten Frequenzbereich,

steuerung folgt in allen Fällen zusätzlich zu einer pri- Es kann daher ein außerordentlicher Strahl als

mären Frequenzsteuerung bestimmter Art, Vorzugs- Anregungsfrequenz in der Phase abgeglichen werden

weise über die Temperatur, aber auch über andere auf den ordentlichen Signalstrahl und die »Leerlauf«-

Parameter, z.B. über eine Winkelsteuerung durch 40 Welle innerhalb des Kristalls. Die Phasenabgleich-

Kristalldrehung. bedingung bestimmt die Frequenz der Signal- und

Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeich- der Leerlaufwellen, und diese Frequenzen können

nung beschrieben; es zeigt über einen breiten Bereich mit Hilfe einer Änderung

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines ersten der Kristalltemperatur geändert werden. Folglich ist

Ausführungsbeispiels der Erfindung, 45 die Temperaturregeleinrichtung 19 einstellbar, s>o daß

F i g. 2 eine schematische Ansicht eines erfin- der Kristall 16 auf einer festen Temperatur innerhalb

dungsgemäß ausgebildeten Modulators, eines breiten Temperaturbereichs gehalten werden

Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Modu- kann, wobei die festgelegte Temperatur auf die

lationscharakteristik der Anordnung nach Fig. 2, gewünschten Signal-und Leerlauf-Ausgangsfrequenzen

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines wei- 50 abgestimmt ist.

teren erfindungsgemäß ausgebildeten Modulators, Der aus dem Kristall 16 austretende Strahl enthält

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung der Modu- Frequenzen ω_ρ, co_s und ωι, wobei w_s die Signalfrequenz

lationscharakteristik der Anordnung nach F i g. 4, ist und ωι die Leerlauffrequenz, die im Kristall 16 er-

F i g. 6 ein Diagramm zur Darstellung der Eigen- zeugt worden sind. Zur Eliminierung der Anregungsschwingungsabstände in einem optischen Resonator 55 frequenz ω_ν und, falls gewünscht, auch der Leerlaufund frequenz ωι wird der Strahl durch eines oder mehrere

Fig. 7 eine perspektivische einer weiteren erfin- Filter 21 geschickt, in denen die unerwünschte Fre-

dungsgemäß ausgebildeten Frequenz-Zeitsteuerungs- quenz unterdrückt wird,

anordnung. Wie bereits erwähnt, ist eine auf Temperatur-

Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 erzeugt 60 konstanz regelnde Einrichtung im allgemeinen träge, ein optischer Sender 11, beispielsweise mit Neodym Kleine Temperaturänderungen werden daher entdotiertem Calciumwolframat als stimulierbarem sprechend verzögert auskorrigiert. Außerdem ist es Medium, einen kohärenten Ausgangsstrahl, der in manchmal schwierig, die gewünschte Temperatur einen Kristall 12, z. B. einen Lithiummetaniobat- genau zu erreichen, sei es denn, daß hoher apparativer kristall, in einer Richtung senkrecht zur optischen 65 Aufwand für die Temperaturregeleinrichtung vorAchse des Kristalls einfällt. Die optische Kristall- gesehen ist. Da alle Temperaturänderungen im Kristall achse steht in Fig. 1 senkrecht zur Zeichenebene. 16 die Ausgangsfrequenzen beeinflussen, ist es Vorzugsweise, obgleich nicht absolut notwendig, ist wünschenswert, diesen Änderungen so weit entgegen-

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zuwirken, daß die Ausgangsfrequenzen beim gewünsch- auf seinen Stirnflächen, die einen optischen Resonator ten Wert stehenbleiben. Zu diesem Zweck ist bei der bilden, der bei der gewünschten Schwingungsfrequenz Anordnung nach Fig. 1 ein teildurchlässiger Spie- resonant ist. Wie im Falle der Fig. 1 können an gel oder ein teildurchlässiges Prisma 22 in den Strahlen- Stelle dieser Beschichtungen Spiegel vorgesehen sein, gang gestellt, der einen Teil des Ausgangslichts ab- 5 die mit Abstand vom Kristall angeordnet sind. Der zweigt- Der abgezweigte Strahlteil wird in ein Fabry- Kristall 41 wird durch eine Temperaturregeleinrich-Perot-Interferometer 23 gegeben, dessen Ausgang tung 44 auf konstanter Temperatur gehalten, und zwar mit Hilfe einer Linse 24 auf Platte 26 fokussiert wird. auf einem Temperaturwert, der optimalen Phasen-Wie allgemein bekannt, liefert der Ausgang eines der- abgleich der gewünschten Schwingungsausgangsartigen Interferometers 23 und folglich das Bild auf io frequenz co_s auf die Anregungsfrequenz ω_ρ liefert, der Platte 26 eine Reihe konzentrischer Lichtringe, Ein Lichtstrahl bei der Anregungsfrequenz ω_Ώ wird

deren Radien so lange konstant bleiben, wie die in den Kristall 41 eingegeben, worin dann auf para-Eingangsfrequenz zum Interferometer konstant bleibt. metrischem Wege die Frequenzen a>_s und ω« auftreten. Jede leichte Frequenzänderung äußert sich in einer Ein Modulationssignal einer Quelle 46 wird über Änderung des Durchmessers der Ringe. Zur Er- 15 Platten oder Kontakte 47 und 48 dem Kristall 41 kennung dieser Ringdurchmesseränderungen hat die zugeführt, um eine Frequenzänderung Δ ω der Signal-Platte 26 ein Paar Öffnungen 27 und 28, durch die und auch der Leerlauf frequenz zu erzeugen. Der Ausdas vom Interferometer 23 herrührende Licht auf ein gang des Kristalls 41 enthält daher die frequenz-Paar Sekundärelektronenvervielfacher 29 und 31 ein- modulierten Komponenten cu_s ± Δ ω und ωι±Δοί. fällt. Solange keine Intensitätsänderung im die 20 In Fig. 3 ist die Frequenzabhängigkeit der VerSekundärelektronenvervielfacher erreichenden Licht Stärkung zur Erläuterung des Frequenzmodulationsauftritt, d.h. solange die Frequenz konstant ist, sind prozesses, der in der Anordnung nach Fi g. 2 aufdie Sekundärelektronenvervielfacherausgänge gleich tritt, dargestellt. Jede der Kurven 51 bis 55 stellt (wobei selbstverständlich Lage und Größe der Öff- eine Eigenschwingung des durch die Spiegel 42 und 43 nungen ebenso die Anordnung der Sekundärelektronen- 25 gebildeten optischen Resonators dar. Zusätzlich stellt vervielfacher entsprechend gewählt sein muß). Tritt die gestrichelt gezeichnete Kurve 56 das Verstärkungseine Frequenzänderung auf, verschieben also sich die profil des Resonators dar, wenn der Betrieb haupt-Interferometerringe, so ergibt sich eine Differenz in sächlich bei der Eigenschwingung 53 erfolgt. Beim den Sekundärelektronenvervielfacherausgängen, die Betrieb der Anordnung nach Fig. 2 erzeugt das einem Differenzverstärker 32 eingegeben werden. Der 30 Modulationssignal eine Frequenzänderung Δω der Differenzverstärker vergleicht die Sekundärelektronen- Frequenz der Eigenschwingung 53. Bei diesem Anvervielfacherausgänge und erzeugt eine Ausgangs- wendungsfall bleibt die Eigenschwingung 53 die spannung, die proportional zur Differenz der Sekundär- Hauptschwingung, und der Frequenzgang ± Δω hat Vervielfacherausgänge ist. Die Ausgangsspannung des wenig Einfluß auf die Verstärkung bei der Haupt-Verstärkers 32 wird über Kontakte oder Platten 33 35 schwingung. Andererseits kann auf diese Weise auch und 34 auf den Kristallseitenflächen dem Kristall zu- eine Impulsmodulation durchgeführt werden, wenn geführt. Diese Spannung verursacht eine Änderung das modulierende Signal eine ausreichende Fehlder Abgleichbedingung (vgl. oben) und folglich eine abgleichung erzeugt, so daß die Eigenschwingung 52 Verschiebung der Ausgangsfrequenzen in der ent- oder 54 zur Haupteigenschwingung der Schwingung sprechenden Richtung zur Korrektur der aufgetretenen 40 gemacht wird. Bei dieser Modulationsform springt Frequenzabweichung, bis die resultierende Ausgangs- die Schwingung von einem Eigenwert auf einen differenz der Sekundärelektronenvervielfacher wieder anderen, es entsteht daher ein frequenzgepulster Null ist. Ausgang. Das abrupte oder glatte Verhalten der

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, Eigenschwingungsübergänge kann durch Ändern der daß eine praktisch trägheitslose, genaue, automatische 45 Resonatorlänge geändert werden. Eine Vergrößerung Frequenzstabilisierung des Ausgangs des Kristalls 16 der Länge liefert mehr Eigenschwingungen in geerhalten wird. Es ist selbstverständlich möglich, ringerem Frequenzabstand zueinander, während ein andere Überwachungseinrichtungen zur Erkennung kurzer Resonator weniger Eigenschwingungen in einer Frequenzänderung im Kristallausgang zu ver- großem Frequenzabstand voneinander aufweist, wenden, z. B. Lyot-Filter mit extrem schmalem Band- 50 Nach der Erfindung ist gleichfalls auch eine paß, solange eine derartige Anordnung eine Spannung Amplitudenmodulation möglich. In Fig. 4 ist der erzeugt, mit deren Hilfe die Frequenzabweichung im Kristall, in dem die Schwingungserzeugung auf paraKristall korrigiert werden kann. metrischem Wege auftritt, einer solchen Anordnung Im vorstehenden wurde gezeigt, wie ein elektrisches dargestellt. In dem aus entsprechendem Material Feld, das einem nichtlinearen doppelbrechenden 55 bestehenden Kristall 61 wird Anregungslicht der Kristall zugeführt wird, dazu verwendet werden kann, Anregungsfrequenz ω_ρ ebenso Signallicht der Fredie Kristallausgangsfrequenz zu stabilisieren. Die quenz ω₈ von entsprechenden, nicht dargestellten gleichen Prinzipien können zur Erzeugung einer Quellen eingegeben, und zwar unter einer zur op-Frequenzmodulation der Ausgangsstrahlung des tischen Achse des Kristalls senkrechten Richtung. Kristalls verwendet werden. 60 Ein Modulationssignal einer Quelle 62 wird an den In F i g. 2 ist eine derartige Frequenzmodulations- Kristall 61 über Platten oder Kontakte 63 und 64 anordnung dargestellt, und zwar der Einfachheit angekoppelt. Der Kristall 61 wird mit Hilfe einer halber nur der nichtlineare doppelbrechende Kristall, Temperaturregeleinrichtung 66 auf gleichbleibender in dem die Schwingungserzeugung auf parametrischem Temperatur wie vorstehend beschrieben gehalten. Wege stattfindet. 65 Über den linearen elektrooptischen Effekt ändert die Der Kristall 41, der aus einem entsprechend den Modulationsspannung den Brechungsindex des Kriobigen Ausführungen doppelbrechenden Kristall be- stalls 61. Für optimale Verstärker sind die Geschwinsteht, trägt dielektrische Beschichtungen 42 und 43 digkeiten der Signalfrequenz und der Anregungs-

Claims

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frequenz im Kristall so aufeinander abgeglichen, daß gesehen und führt den Kristall 71 der Spannung zu, eine wanderwellenartige Wechselwirkung hierzwischen die parallel zur Z-Achse desselben verläuft. Wie vorstattfindet. Dieser abgeglichene Zustand kann leicht stehend erläutert wurde, ändert ein elektrisches Feld erreicht werden, beispielsweise durch Steuern der im Kristall die Betriebsfrequenz. Zusätzlich aber Kristalltemperatur. JeglicheÄnderungendesBrechungs- 5 ändert ein zugeführtes Feld auch die Frequenzen der index im Kristall verändert die Koppelung zwischen Signal- und Leerlaufschwingungen. Beide Änderungen Signal- und Anregungsfrequenz und folglich die sind eine Folge des elektrooptischen Effekts. Werden Größe der Signalverstärkung. In Fig. 5 ist diese elektrische Felder längs den Y- und Z-Achsen will-Situation an Hand eines Diagramms dargestellt, das kürlich eingeführt, so ändert sich sowohl Betriebsdie Abhängigkeit der Verstärkung vom Brechungs- io frequenz als auch die Frequenzen der Eigenindex wiedergibt. Zu Modulationszwecken wird die schwingungen. Die Änderungen der Brechungsindizes Kristalltemperatur so eingestellt, daß sich ein Arbeits- über den durch diese Felder erzeugten elektropunkt bei X in Fig. 5 ergibt. Die Brechungsindex- optischen Effekt sind gegeben durch
änderungen infolge des Modulationssignals erzeugen

dann einen Verstärkungsgang A in der Signalfrequenz 15 An₀ = —^L. ^₂E_y + r_lz E_z), (1)

mit dem Resultat, daß der Ausgang des Kristalls eine 2
amplitudenmodulierte Signalfrequenz enthält.

Bei den vorstehenden Ausführungsformen sind * __ _ (^e)³ , „. ,-\

diejenigen optischen Resonatortypen verwendet wor- ^e ~~ 2 ³³ '
den, die allgemein als Fabry-Perot-Resonatoren be- ao

kannt sind und durch diskrete Eigenschwingungen hierin bedeuten n₀ und n_e den ordentlichen bzw. außergekennzeichnet sind. Dies ist in Fig. 6 dargestellt, ordentlichen Brechungsindex, η j die linearen elektroin der jede vertikale Linie, die die ew_s-Linie und die optischen Koeffizienten und E_y und E_z die angelegten Wi-Linie schneiden, die Bedingung ω_ρ = ω₃ + cot er- elektrischen Felder. Die linearen elektrooptischen füllt. Die vertikalen Spitzen auf den co_s- und coj-Linien 25 Koeffizienten können für einen gegebenen Kristall mit stellen die Eigenschwingungen des optischen Resona- Hilfe Gleichungen (1) und (2) leicht ermittelt werden, tors dar. wenn Δη meßbar ist.

Eine Temperaturabstimmung führt zur vollkomme- Es kann gleichfalls gezeigt werden, daß die Fre-

nen Phasenanpassung zwischen der Anregungsfrequenz quenzen von Ak = 0 bestimmt, wenn die Felder in

und der Signalfrequenz und der Leerlauffrequenz für 30 dem Verhältnis
die Frequenzkombination, die durch die Linie Ak = O

dargestellt ist. Im allgemeinen fällt die vertikale Linie __j/ — \^r3±~^rw ^)
nicht mit den Signal- und Leerlauf eigenschwingungen E₁ ^22
COs₀ und OJt₀, deren Summe sich von der Anregungsfrequenz um Δ ω unterscheidet. Es ist ersichtlich, daß, 35 angelegt werden, unverändert bleiben, daß aber die wenn die Signal- und Leerlaufeigenschwingung mit Eigenfrequenzen des optischen Resonators verschoben der strichpunktierten Linie Ak = 0 zusammenfällt, werden, und zwar innerhalb eines Viertels des Eigen- A ω = 0 wird. Es kann leicht gezeigt werden, daß schwingungsabstands der A k = O-Frequenzen. Da nur eine sehr kleine Zunahme der Anregungsleistung dieser Abstand nur eine sehr kleine Frequenzänderung das System veranlaßt, bei der Stelle Δ ω ^ 0 zu ar- 40 darstellt, ist eine sehr genaue Abstimmung möglich, beiten, die einige zehn Wellenzahlen von der Stelle Beim Betrieb wird der Kristall 71 der F i g. 7 über Ak = O entfernt liegt, die durch die Temperatur be- die Temperatur auf die gewünschte Betriebsfrequenz stimmt ist. Als Folge hiervon ist es mit Fabry-Perot- abgestimmt, und es werden dann Felder in dem durch Resonatoren häufig sehr schwierig, Schwingungen bei Gleichung (3) gegebenen Verhältnisse angelegt sowie oder sehr nahe bei der gewünschten Betriebsfrequenz 45 so lange erhöht, bis Schwingungen innerhalb eines zu erhalten. Viertels des Eigenschwingungsabstands der gewünsch-

In Fig. 7 ist eine Anordnung dargestellt, bei der ten Frequenz auftritt.

ein Betrieb innerhalb eines Viertels des Eigen- Die Anordnung der F i g. 7 zeigt, daß zwei

schwingungsabstandes A co_m des optischen Resonators Felder angelegt werden. Es ist selbstverständlich

der gewünschten Frequenz erreicht werden kann. 5° auch möglich, ein einziges Feld unter dem durch das

Die Anordnung nach Fig. 7 weist einen Kristall 71 Verhältnis der Gleichung (3) definierten Winkel

aus entsprechendem Material auf, z.B. aus Lithium- einzuführen sowie die Feldstärke erhöhen, bis die

metaniobat, in den ein Lichtstrahl, beispielsweise in gewünschte Schwingung auftritt,
der in Fig. 1 dargestellten Weise, eingegeben wird.

Dielektrische Spiegelschichten 72, 73 auf den Stirn- 55 Patentansprüche:
flächen des Kristalls 71 bilden einen optischen Resonator. Die Spiegelschichten 72, 73 sind wie vorher 1. Frequenzwandler mit einem nichtlinearen teildurchlässig. Der Kristall 71 wird wiederum auf elektrooptischen doppelbrechenden Kristall, durch derjenigen Temperatur gehalten, die Phasen- den ein kohärenter Eingangslichtstrahl unter abstimmung und folglich eine parametrische Ver- 60 einem derartigen Winkel zur optischen Kristallstärkung innerhalb des Kristalls erzeugt. achse so hindurchgeleitet wird, daß dieser Strahl

Ein Paar Kontakte oder Platten 74, 76 sind auf zwei weitere Frequenzen innerhalb des Kristalls

dem Kristall 71 so angeordnet, daß eine Spannung auslöst, die in ihrer Phase einander angepaßt sind

einer variablen Spannungsquelle 77 an den Kristall 71 und die zugleich im Kristall in ihrer Frequenz

unter einer Richtung angelegt werden kann, die 65 modulierbar bzw. steuerbar sind, dadurch

parallel zur Y-Achse desselben verläuft. In ähnlicher gekennzeichnet, daß der nichtlineare

Weise ist ein zweites Plattenpaar 78, 79, das an eine elektrooptische Kristall innerhalb eines optischen

variable Spannungsquelle 81 angeschlossen ist, vor- Resonators angeordnet ist und zusätzlich zu seiner

elektrooptischen Modulation zum Zwecke einer Frequenzabstimmung in seiner Temperatur steuerbar ist.
2. Frequenzwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangslichtstrahl zur optischen Achse des Kristalls senkrecht einfällt.
3. Frequenzwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Anlegen einer Spannung an den Kristall vorgesehen ist, die eine Quelle modulierender Signale aufweist.
4. Frequenzwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Detektoreinrichtung vorgesehen ist, in der ein Fabry-Perot-Interferometer liegt, dessen Ausgang auf eine mit Öffnungen versehene Platte projiziert wird, sowie eine Einrichtung zum Feststellen von Änderungen in dem projizierten Bild, die von Frequenzänderungen im Kristallausgang herrühren.
5. Frequenzwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß hinter den Öffnungen der Platte zwei Sekundärelektronenvervielfacher angeordnet sind. _ - " ■■..

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6. Frequenzwandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärker zum Verstärken der Ausgangsspannungsdifferenz der Sekundärelektronenvervielfacher sowie zum Erzeugen einer Korrekturspannung für den Kristall vorgesehen ist.
7. Frequenzwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsfrequenzsteuereinrichtung eine Einrichtung zum Anlegen einer ersten Spannung an den Kristall längs einer ersten Achse desselben sowie zum Anlegen einer zweiten Spannung längs einer zweiten dazu senkrechten Achse desselben aufweist.
8. Frequenzwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der angelegten elektrischen-Felder gegeben ist durch

worin E_y und E_z die längs der Y- bzw. Z-Achse des Kristalls angelegten Spannungen und ^₃, r₁₃ und j"₂₂ die linearen elektrooptischen Koeffizienten des Kristalls bedeuten. -.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen •■if':