DE1514315A1 - Modulationsverfahren und Modulator fuer elektromagnetische Strahlung mittels Doppelbrechung - Google Patents
Modulationsverfahren und Modulator fuer elektromagnetische Strahlung mittels DoppelbrechungInfo
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Description
Philips Patentverwaltung GmbH.
Akte No. PHD- 540
Akte No. PHD- 540
Dr. Expl.
Philips Patentverwaltung GmbH., Hamburg 1» Mönckebergstr. 7«
"Modulationsverfahren und Modulator für elektromagnetische
Strahlung mittels Doppelbrechung"
Die Erfindung bezieht sich auf ein Modulationsverfahren und einen Modulator für elektromagnetische Strahlung mittels Doppelbrechung durch freie Ladungsträger in Pestkörpern. Die
Größe der Doppelbrechung hängt U0a. bekanntlich ab von der
Dichte der ladungsträger und ihrer effektiven Masse. Jede dieser beiden Größen kann von einem gegebenen Modulationssignal
gesteuert werden. Die Anisotropie der effektiven Massen hängt bei zahlreichen Substanzen z.Bo Germanium und Silizium vom
elastischen Spannungszustand des Materials ab und kann über diesen gesteuert werden.
Es sind bereits Verfahren bekannt, die auf der Doppelbrechung
durch gebundene Elektronen in Isolatoren basieren. Die optische
Anisotropie des zur Modulation verwendeten Materials wird hierbei durch elektrische Felder (Kerr-Effekt, Pockels-Effekt)
ader durch elastische Verspannung (photoelastischer Effekt)
entsprechend dem aufzumodulierenden Signal gesteuert* Nachteilig ist hierbei, daß elektro-optische Modulatoren hohe Feldstärken,
etwa 10 kV/cm, benötigen, während es bei photoelastischen Modulatoren Schwierigkeiten macht, elastische Spannungen
In der Größenordnung von 100 kg/cm mit hinreichend hoher
Frequenz und Bandbreite bei hinreichend großem Homogenitätsbereich
zu erzeugen»
PHD- 540 :
Br/8
900817/0518
Es ist auch bekannt, die Absorption duroh freie Ladungsträger
in Halbleitern zur Modulation elektromagnetischer Strahlung zu benutzen, wobei entweder deren Dichte durch Injektion,
oder ihre Temperatur durch Aufheizung mittels eines Hilfefeldes durch das Modulationssignal beeinflußt wird· Die letztgenannten
Vorrichtungen sind nur im Mikrowellengebiet brauohbar und besitzen für licht, einschließlich der Ultrarotstrahlen,
keine Modulationseigenschaften. Überdies sind sehr hohe Steuerleistungen in der Größenordnung Megawatt/cnr nötig.
Im Gegensatz dazu benutzt das erfindungsgemäße Modulations··
verfahren wesentlich die Doppelbrechung durch freie ladungsträger ψ und ist dadurch gekennzeichnet, daß durch das Modulationssignal
die Dichte der freien Träger gesteuert.wird und Mittel vorgesehen sind, die damit verbundenen Veränderungen
der Doppelbrechung durch freie ladungsträger in an sich bekannter Weise zur Amplituden- oder Phasenmodulation' einer
elektromagnetischen Strahlung zu benutzen« Es setzt ein an sich optisch anisotropes Material voraus. Halbleiter mit natürlicher
Anisotropie (z.B· SiC, CdS) zeigen meist aber eine
so starke Doppelbrechung durch gebundene Elektronen, daß nur Strahlengänge sehr geringer Apertur verwendet werden können.
Eine Ausführungsform der Erfindung verwendet daher Vorzugs·*
weise ein optisch isotropes Grundmaterial, welches elastisch verspannt ist. Dadurch läßt sich ein besonders günstiges Ver-.
hältnis vom Ireien-Träger-Anteil zum Gitteranteil'der Doppelbrechung
erreichen, so. daß die zur Modulation erforderlichen Leistungen nur verhältnismäßig gering zu sein brauohen.
Die Modulation beruht auf einer Wechselwirkung des in den
Modulator eintretenden Lichtstrahles mit den injizierten freien Ladungsträgern. Wenn die injizierte Trägerdichte räumlich
nicht homogen ist und zeitlich über eine Differential-
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t> I
gleichung (Diffusionsgleiehung mit Berücksichtigung der Rekombination)
mit dem aufgeprägten Injektionsstrom zusammenhängt, kann die Intensität des austretenden Lichtes durch
räumliche MittelbiMung (über die Querschnittsfläche des
Modulators) und Fourier-Analyse der Trägerverteilung (wegen • des Auftretens von Seitenbändern höherer Ordnung) ermittelt
werden.
Den Aufbau eines Modulators nach einer Ausführungsform der
Erfindung zeigt die Figur«1 bezeichnet den Polarisator bzwe
eine polarisierte lichtquelle, z.B.' eine Laser-Lichtquelle* 2 ist der Modulator, in welchem die Doppelbrechung durch
freie Ladungsträger entsprechend dem aufzumodulierenden Signal gesteuert wird, und der aus einem optisch isotropen, z.B. kubischen
Kristall besteht. 3 ist eine jft/4-Platte, die ellip··
tisch polarisiertes Licht in linear polarisiertes Licht verwandelt. 4 ist ein Analysator, der ebenfalls aus einem Kristall
bestehen kann, aus dem die modulierte Strahlung austritt»
Im einfachsten Fall einer homogenen injizierten Trägerverteilung
ergibt sich der Modulationsindex eines Doppelbrechungsmodulators wie folgt: Die transmittierte Intensität I hängt«
von der einfallenden Intensität I , der Phasenverschiebung^
im Modulator (Phasendifferenz der beiden den Modulatorkristall
durchsetzenden Teilwellen) und der Orientierung φ· des Analysetors
ab nach der Gleichung!
I = I0 cos2 C I +1 - Ψ ).
Die Phasenverschiebung ohne anliegendes Modulationssignal sei
ψ . Dann ergibt sich die maximale Modulation, wenn 2 ψ=ψ- +
q ρ ώ ο.
eingestellt wird (dann ist d I/d<r = 0)· In diesem Falle erhält
man!
101117/0518
k =
2n + 1
2n
η = O, 1, 2 . .
Die modulierte Phasenverschiebung $9* ist proportional zur
Zahl der injizierten Trägerpaare & n, welche aus Elektronen
und !Löchern "bestehen. Im allgemeinen ist der Einfluß der
löcher klein gegen den der Elektronen. Insbesondere bei den gebräuchlichen Kombinationen, nämlich Germanium unter ^111^··
Spannung und Silizium unter ^1OO)«Spannung und Dnr.ähstrahlung
jeweils senkrecht zur Spannungsrichtung ist diese Voraussetzung gut erfüllt. ' '
Die elastische Spannung soll so groß wie möglich sein,
mentell lassen sieh Dehnungen von max. etwa 1?ί realisieren,
was einer Spannung um 10 - kg/cm entspricht. Der Germanium verwendende
Doppelbrechungs-Modulator arbeitet im Wellenlängenbereich oberhalb von 2 /im effektiver als die bisher bekannten Modulatoren, für Wellenlängen von 1 /um und 2 /um, wo
Germanium wegen der einsetzenden Fundamentalabsorption nicht
mehr brauchbar ist, zeigt sich, daß der Silizium verwendend·
Döppelbrechungs-Modulator den z.B. auf der Injektionsabsorp-,
tion beruhenden Modulatoren um eine Größenordnung überlegen
ist. ·
"«■
Claims (1)
- ■ ' 15U315Patentanspruch·ιOy- Modulationsverfahren für elektromagnetische Strahlung unter Benutzung der Doppelbrechung freier ladungsträger in Festkörpern, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Modulationssignal die Diohte der freien Träger gesteuert wird und Mittel vorgesehen sind, die damit verbundenen Verändertingen der Doppelbrechung durch freie ladungsträger in an sich bekannter Weise zur Amplituden- oder Phasenmodulation einer elektromagnetischen Strahlung zu benutzen.2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Ladungsträgerdichte durch Trägerinjektion erfolgt.3. Modulator zur Durchführung des Verfahrens nach-Anspruch-1., dadurch gekennzeichnet, daß das als Modulator dienende Festkörpermaterial statisch elastisch verspannt ist und die Durchstrahlung in Richtung einer optischen Achse des unverspannten gegebenenfalls isotropen Materials erfolgt.4. Modulator nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß ein Germanium-Kristall unter uniaxialer Spannung in Riohtung einer Raumdiagonale der kubischen Elementarzelle verwendet ist.5. Modulator nach Anspruch 3i daduroh gekennzeichnet, daß ein Silizium-Kristall unter uniaxialer Spannung in Richtung einer Würfelkante oder einer Raumdiagonale der kubischen Elementarzelle verwendet ist.9098 T7/05 1 8
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