DE1514660B2

DE1514660B2 - OPTICAL CRYSTAL ARRANGEMENT FOR FREQUENCY CONVERSION, GAIN AND / OR MODULATION OF OPTICAL SIGNALS

Info

Publication number: DE1514660B2
Application number: DE19661514660
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl.-Phys. Dr. 8000 München Groschwitz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-01-12
Filing date: 1966-01-12
Publication date: 1973-05-10
Also published as: DE1514660A1; DE1514660C3

Description

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in den nichtangeregten Kristall eingestrahlte Frequenz schwingungen gesteuerten Eigenfrequenz der Gitter-frequency radiated into the unexcited crystal vibrations controlled natural frequency of the lattice

im optischen Resonator mit gleichen Moden-, Phasen- oszillatoren durch Streuung erzeugte Signal- bzw.Signal or phase oscillators generated by scattering in the optical resonator with the same mode, phase oscillators

und Polarisationsverhältnissen zur Resonanz kommen. Signalträgerfrequenz senkrecht zur schwingendenand polarization ratios come to resonance. Signal carrier frequency perpendicular to the oscillating

Zu diesem Zweck sind im Rückkopplungsweg Platte austritt. ■For this purpose, plate exits are in the feedback path. ■

zwischen den optisch gekoppelten korrespondieren- 5 Das schwingungsfähige Substrat ist an seinenbetween the optically coupled corresponding 5 The vibratory substrate is at its

den Kristallen ein optischer Phasenschieber mit Enden gehaltert und in seinem mittleren Bereichan optical phase shifter with ends is mounted on the crystals and in its central area

steuerbarer optischer Weglänge und eine Vorrichtung durch einen schwingenden Stift mechanisch anregbar,controllable optical path length and a device that can be mechanically excited by a vibrating pen,

zur Drehung der Polarisationsebene angeordnet. Weiterhin ist nach einem besonderen Merkmal derarranged to rotate the plane of polarization. Furthermore, according to a special feature of the

Im optischen Resonator kann für die Signal- bzw. Erfindung vorgesehen, daß der als dünne SchichtIn the optical resonator can be provided for the signal or invention that the as a thin layer

Signalträgerfrequenz ein halbdurchlässiger Spiegel io ausgebildete Primärkristall auf seiner dem SubstratSignal carrier frequency a semi-transparent mirror io formed primary crystal on its the substrate

derart angeordnet sein, daß die Signal- bzw. Signal- abgewandten Seite mit einer für die Signal- bzw.be arranged in such a way that the side facing away from the signal or signal with one for the signal or

trägerfrequenz aus dem Resonator auskoppelbar ist. Signalträgerfrequenz durchlässigen und für diecarrier frequency can be decoupled from the resonator. Signal carrier frequency permeable and for the

Zur Frage der bei der vorliegenden Erfindung primär eingestrahlte Laserfrequenz total reflektie-To the question of the laser frequency primarily radiated in the present invention, totally reflected

durchgeführten optischen Wechselwirkung zwischen rende Schicht bedeckt.performed optical interaction between rende layer covered.

zwei in verschiedener Weise optisch korrespondieren- !5 Die in Längsrichtung primär eingestrahlte Freden Kristallen gemeinsam mit einer optischen Rück- quenz verläßt den Primärkristall infolge innerer kopplung sei noch auf den physikalischen Sachverhalt Totalreflexion am Substrat und an der für den Einhingewiesen, daß die hierbei zur Anwendung korn- fallwinkel der Frequenz total reflektierenden Schicht menden Streustrahlungen bei Verwendung einer in Längsrichtung des Kristalls.
Eingangsstrahlung hinreichend großer Intensität, 20 Die quantenelektronische Anregung der Eigend. h., insbesondere bei einer Laserstrahlung, einen schwingungen der Gitteroszillatoren des verstärkenwesentlichen kohärenten Anteil enthalten, so daß den korrespondierenden Kristalls geschieht beispielsim vorliegenden Fall sowohl die optische Korrespon- weise durch eine zusätzliche optische Einstrahlung denz als auch die zusätzliche Rückkopplung auch im Spektralbereich der anregenden Eigenfrequenz in der Streustrahlung Kohärenz aufweist. Bekanntlich 25 der Gitteroszillatoren. Die Anpassung der anregenden ist dies nicht mehr der Fall bei normaler optischer Strahlung an die anregende Resonanzfrequenz erfolgt Strahlung, bei welcher die Streustrahlung zur Ein- an Hand einer Reststrahlmethode, wobei aus einem gangsstrahlung inkohärent ist. ursprünglich breiteren Spektrum, welches die Reso-two optically corresponding in different ways-! 5 The Freden crystals primarily irradiated in the longitudinal direction together with an optical return leaves the primary crystal as a result of internal coupling The angle of incidence of the frequency totally reflecting layer resulting in scattered radiation when using one in the longitudinal direction of the crystal.
Input radiation of sufficient intensity, 20 The quantum electronic excitation of the Eigend. That is, especially in the case of laser radiation, the grating oscillators contain oscillations of the coherent component that is essential for amplification, so that the corresponding crystal occurs, for example in the present case, both the optical correspondence by additional optical irradiation and the additional feedback also in the spectral range of the exciting natural frequency has coherence in the scattered radiation. As is known, 25 of the grid oscillators. The adaptation of the stimulating radiation is no longer the case in the case of normal optical radiation to the stimulating resonance frequency. Radiation in which the scattered radiation is applied to a residual radiation method, one of which is incoherent. originally broader spectrum, which the reso-

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht nanzfrequenz enthält, durch mehrfache Reflexion an darin, daß die in das korrespondierende Kristall- 30 Kristallen von gleicher Beschaffenheit wie der versystem eintretende und dort verstärkte Frequenz stärkende Kristall des optisch korrespondierenden vorher in einem Kristall mit anderer Eigenfrequenz Systems, die Resonanzfrequenz ausgefiltert wird, der Gitteroszillatoren aus einer primären Laser- Diese Möglichkeit hat den Vorteil, die Anregung strahlung erzeugt wird und außerdem eine Frequenz- der verstärkenden Gitteroszillatoren in bestimmten modulation aufgeprägt bekommt. Auf diese Weise 35 Grenzen beliebig groß zu machen. Gegenüber herwird die behandelte beliebige und neu erzeugte kömmlichen Lasersystemen ergibt sich hierdurch der Frequenz zur Signalträgerfrequenz. In physikalischer gravierende Vorteil, daß die durch eine Anregungs-Hinsicht wird dieser nachrichtentechnische Sach- frequenz gespeiste Quantenenergie von der bei herverhalt dadurch bewirkt, daß bei der Anordnung kömmlichen Systemen durch die Natur des Kristalls gemäß der Erfindung von der Tatsache Gebrauch 40 fixierten Signalfrequenz bei der Anordnung gemäß gemacht wird, daß die Debeye-Temperatur eines der Erfindung hinsichtlich der Besetzungsverhältnisse Kristalls durch erzwungene elastische Volumen- unabhängig ist.A further embodiment of the invention consists of nanzfrequency, due to multiple reflections in the fact that the crystals in the corresponding crystal are of the same nature as the verse system entering and there amplified frequency strengthening crystal of the optically corresponding previously in a crystal with a different natural frequency system, the resonance frequency is filtered out, The lattice oscillators from a primary laser- This possibility has the advantage of the excitation Radiation is generated and also a frequency of the amplifying grid oscillators in certain modulation gets impressed. In this way you can make 35 borders as large as you want. Opposite The treated arbitrary and newly generated conventional laser systems result from this Frequency to the signal carrier frequency. In physical terms, there is a serious advantage that through an excitation point of view If this telecommunications material frequency is fed quantum energy by the at herverhalt caused by the fact that when arranging conventional systems by the nature of the crystal according to the invention of the fact use 40 fixed signal frequency in the arrangement according to is made that the Debeye temperature is one of the invention in terms of occupation ratios Crystal is independent of volume by forced elastic.

änderungen modifizierbar ist. Das bedeutet anschau- Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich lieh eine Frequenzverstimmung der Eigenschwingung aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfühder Gitteroszillatoren durch erzwungene elastische 45 rungsbeispielen an Hand der Fig. 1 bis 5.
Deformationen des Kristallgitters. Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung Diese elastischen Deformationen des Kristallgitters optische Kristalle I, II und III. In den Primärkristall I geschehen gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird eine Laserstrahlung der beliebigen Frequenz ^₁ durch eine mechanische Vorrichtung am Primär- durch eine optische Aussparung in der Platte 12 kristall zur Veränderung, insbesondere zur periodi- 50 eingestrahlt. Die hierbei durch Streuung an der nichtschen Veränderung, der streuenden Eigenfrequenz der E₁-E₂ u · rr ^v* ■.., jr.· ^ ι? j λτ 1 angeregten Eigenfrequenz V₁ „ =——.——, wobei JE₁ Gitteroszillatoren durch eine entsprechende Volumen- & & & μ i2 λ ' !changes can be modified. This means that a frequency detuning of the natural oscillation can be found in the following description of the embodiments of the grid oscillators by means of forced elastic examples on the basis of FIGS. 1 to 5.
Deformations of the crystal lattice. Fig. 1 shows in a schematic representation these elastic deformations of the crystal lattice optical crystals I, II and III. According to a further development of the invention, a laser radiation of any frequency ^ ₁ is radiated into the primary crystal I through a mechanical device on the primary crystal through an optical recess in the plate 12 for change, in particular for periodic 50. The hereby scattering at the non-change, the scattering natural frequency of the E ₁ -E ₂ u · rr ^ v * ■ .., jr. · ^ Ι? j λτ 1 excited natural frequency V ₁ "= - -. ——, where JE ₁ grid oscillators are represented by a corresponding volume &&& μ i2 λ '!

änderung. und E^ darin Energien und h die Plancksche Kon-Insbesondere ist der Primärkristall an zwei gegen- stante bedeuten, des Primärkristalls I entstehende überliegenden Flächen zwischen zwei Platten be- 55 Differenzstrahlung v₂ tritt nach Reflexion an dem festigt und eingespannt, deren eine als ruhender Spiegel 11 ebenfalls als Laserstrahlung in den Kri-Kristallträger dient und deren andere Schwingungen stall II ein. Die so im Kristall I erzeugte neue Freauszuführen in der Lage ist. Die Schwingungen aus- quenz v₂ repräsentiert den Informationsträger. Der führende Platte kann entweder Teil eines mechanisch Kristall II bildet zusammen mit dem Kristall III schwingenden Systems oder ein elektrisch erregter 60 durch optische Wechselwirkung ein optisch korrespiezoelektrischer Kristall sein. pondierendes System. Diese optische Korrespondenz Es ist bei einer besonderen Ausgestaltung der wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß an Erfindung vorgesehen, daß der Primärkristall als beiden Kristallen eine gleiche ausgewählte Eigendünne Schicht auf einem mechanische Schwingungen _t E₃-E₄ τ? · ο ι
ausführenden elastischen Substrat aufgebracht ist. 65 ^fre^^enz ^vu = "V^ - Fig. 2 - als energy Dabei durchdringt die primär eingestrahlte Laser- übertragender streuender Mechanismus für die reprofrequenz die Kristallschicht in Längsrichtung mit duzierte und verstärkte Signalträgerfrequenz v₂ Ver-Mehrfachreflexion, wobei die an der durch Biege- Wendung findet. Die Energien E₃ und E^ bedeutenmodification. and E ^ is energy and h is Planck's Kon-In particular, the primary crystal mean of two counter stante, the primary crystal I resulting opposing surfaces between two plates sawn 55 difference radiation v ₂ occurs after reflection solidifies at and clamped, of which one as dormant Mirror 11 also serves as laser radiation in the Kri crystal carrier and its other vibrations stall II. The new freak thus generated in Crystal I is able to carry out. The oscillation sequence v ₂ represents the information carrier. The leading plate can either be part of a mechanical crystal II forms together with the crystal III oscillating system or an electrically excited 60 through optical interaction an optically correspiezoelectric crystal. ponding system. This optical correspondence is achieved according to the invention in that the invention provides that the primary crystal, as two crystals, has an identical selected intrinsic thin layer on a mechanical oscillation _t E ₃ -E ₄ τ? · Ο ι
exporting elastic substrate is applied. 65 ^fre ^ ^enz ^v u = "V ^ - Fig. 2 - as energy The primarily irradiated laser-transmitting scattering mechanism for the reproduction frequency penetrates the crystal layer in the longitudinal direction with reduced and amplified signal carrier frequency v ₂ multiple reflection, with the at the through The energies E ₃ and E ^ mean

quantenhafte Energiezustände der Eigenschwingungen der Gitteroszillatoren in den Kristallen II und III. Für die in Rede stehende optische Korrespondenz ist wesentlich, daß im Kristall II des korrespondierenden Kristallsystems die Eigenfrequenz v_u der Gitteroszillatoren nicht angeregt ist, während hingegen diese Eigenfrequenz im Kristall III des korrespondierenden Systems durch eine äußere Energiequelle infolge einer mit dieser Eigenfrequenz resonanzfähigen optischen Strahlung angeregt wird.Quantum energy states of the natural oscillations of the grid oscillators in crystals II and III. For the optical correspondence in question, it is essential that the natural frequency v _{u of} the lattice oscillators in crystal II of the corresponding crystal system is not excited, whereas this natural frequency in crystal III of the corresponding system is excited by an external energy source as a result of optical radiation capable of resonating with this natural frequency will.

Die im Primärkristall I mit beliebiger Intensität und mit beliebigem Frequenzwert erzeugte Frequenz v₂ tritt in den Kristall II ein und wird am Spiegel 15 reflektiert. Dieser Spiegel kann auch so angeordnet sein, daß er mit dem Spiegel 11 einen optischen Resonator bildet. Im Kristall II entsteht durch Streuung der Laserfrequenz v₂ an den nichtangeregten Gitteroszillatoren mit der Eigenfrequenz v₃₄ die Laserfrequenz v₃ als Differenzfrequenz zwischen der Frequenz v_z und der Eigen- ao frequenz v_Zi. Die Laserfrequenz v₃ übernimmt bei dem genannten Streuprozeß den Informationsinhalt der Frequenz v₂. Außerdem wird der Frequenz ^₃ die Funktion der optischen Kopplung des korrespondierenden Kristallsystems dergestalt übertragen, daß sie mit ihrer Information im Kristall III des korrespondierenden Kristallsystems durch Streuung an der hochangeregten Eigenfrequenz ^₃₄ der Gitteroszillatoren des Kristalls III eine Energieentnahme aus dem angeregten Quantenzustand der Gitteroszillatoren induziert, wobei nunmehr wiederum die Signalfrequenz v., mit ihrem ursprünglichen Inforinationsinhalt reproduziert wird. The frequency v ₂ generated in the primary crystal I with any intensity and with any frequency value enters the crystal II and is reflected on the mirror 15. This mirror can also be arranged in such a way that it forms an optical resonator with the mirror 11. In the crystal II of the laser frequency is caused by scattering v ₂ to the non-excited oscillators mesh with the natural frequency of the laser frequency v ₃₄ v ₃ as the difference frequency between the frequency v _z and the properties ao frequency v _Zi. The laser frequency v ₃ takes over the information content of the frequency v ₂ in the aforementioned scattering process. In addition, the function of optical coupling of the corresponding crystal system is transferred to _{frequency ^ 3 in} such a way that it induces energy extraction from the excited quantum state of the lattice oscillators _{by scattering at the highly excited natural frequency ^ 34 of the lattice oscillators of crystal III with its information in crystal III of the corresponding crystal system} , with the signal frequency v. being reproduced with its original information content.

Die Signalfrequenz v₂ ist jedoch nun mit der steuerbaren Anregungsenergie des Kristalls III zusätzlich behaftet, so daß die Information im Kristall III aus der Quantenenergie der hochangeregten Gitteroszillatoren verstärkt wird. Es wird bemerkt, daß diese vergleichsweise bei der Erzeugung der Signalfrequenz v₂ im Primärkristall I noch nicht der Fall ist. Dort wird diese Frequenz zwar durch die nichtangeregte Eigenfrequenz ^₁., als Differenzfrequenz aus der beliebigen Frequenz V₁ erzeugt, eine zusätzliehe Energieaufnahme aus den quantenhaften Energiezuständen des Kristalls findet jedoch hierbei nicht statt.The signal frequency v ₂ , however, is now additionally affected by the controllable excitation energy of crystal III, so that the information in crystal III is amplified from the quantum energy of the highly excited lattice oscillators. It is noted that this is not yet the case in comparison with the generation of the signal frequency v _{2 in the primary crystal I.} There this frequency is generated by the unexcited natural frequency ^ _1. , As a difference frequency from the arbitrary frequency V ₁ , but there is no additional energy absorption from the quantum energy states of the crystal.

Vielmehr erhält die Frequenz v₂ ihre Energie beim Streuprozeß im Primärkristall I ausschließlich aus der Eingangssfrequenz v_v Rather, the frequency v ₂ receives its energy during the scattering process in the primary crystal I exclusively from the input frequency v _v

Die im Kristall III mit der Information versehene reproduzierte und hinsichtlich ihrer Intensität aus der Anregungsenergie des Kristalls III gespeiste Signalfrequsnz v„ kann im einfachsten Fall — der in Fig. 1 dargestellt ist — nach Reflexion an dem Spiegel 16 unmittelbar als Ausgangsstrahlung aus dem System entnommen werden. The signal frequency v " reproduced with the information in crystal III and fed with regard to its intensity from the excitation energy of crystal III can in the simplest case - shown in FIG. 1 - be taken directly as output radiation from the system after reflection at mirror 16 .

Die Anregung der Gitteroszillaiorcn mit der Eigenfrequenz in dem Kristall III des optisch korrespondierenden Systems kann im Prinzip beispielsweise durch eine mit dieser Frequenz resonanzfähige Laserstrahlung angeregt v/erden. Im vorliegenden Beispiel wird die Anregung aus einem breiteren optischen Spektrum mit der mittleren Frequenz v_i als Reststrahlung der Frequenz v_sl bewirkt. Die Anpassung an die Resonanzfrequenz ^₃₄ erfolgt hierbei durch mehrfache Reflexion an Kristallen 17 und 18, welche, ebenso wie der Kristall III, die gleiche Eigenfrequenz aufweisen. Im einfachsten Fall werden diese Kristalle von der gleichen stofflichen Zusammensetzung wie der Kristall I sein.The excitation of the lattice oscillators with the natural frequency in the crystal III of the optically corresponding system can in principle be excited, for example, by laser radiation capable of resonance at this frequency. In the present example, the excitation is brought about from a broader optical spectrum with the mean frequency v _i as residual radiation of the frequency v _sl . The adaptation to the resonance frequency ^ ₃₄ takes place here by multiple reflections on crystals 17 and 18, which, like crystal III, have the same natural frequency. In the simplest case, these crystals will have the same material composition as crystal I.

Es besteht weiterhin die Möglichkeit, die aus dem Kristall III austretende, verstärkte Frequenz v_o über eine nicht dargestellte Spiegelanordnung und einen optischen Phasenschieber mit der den Kristall II durchsetzenden Frequenz v₂ zu vereinigen und insgesamt zu emittieren. In diesem Fall ist der Spiegel 15 halbdurchlässig.There is also the possibility of combining the amplified frequency v _o emerging from the crystal III via a mirror arrangement (not shown) and an optical phase shifter with the frequency v ₂ passing through the crystal II and emitting it as a whole. In this case, the mirror 15 is semi-transparent.

Zur Modulation der Signalfrequenz v_o ist der Kristall I zusätzlich mit einer Vorrichtung versehen, welche elastische Volumendeformationen des Kristalls erzeugt. Durch diese Volumendeformation wird grundsätzlich die Debeye-Temperatur des Kristallgitters modifiziert. Hieraus ergeben sich entsprechende Variationen der Eigenfrequenzen der Gitteroszillatoren für jeden im Dispersionsbereich zugelassenen Ausbreitungsvektor einer Schallausbreitung. Die Variation der Eigenfrequenz v₁₂ im Kristall I ist in F i g. 2 in dem Energiediagramm I durch einen zweiseitigen Pfeil in der Energiezustandslinie JE₁ anschaulich dargestellt. Durch Variation der Energiedifferenz zwischen den Energien E₁ und E₂ ergibt sich eine periodische Veränderung der zugeordneten Eigenfrequenz v₁₀, so daß bei festgehaltener Frequenz V₁ eine modulierte Signalfrequenz bzw. Signalträgerfrequenz v₂ entsteht.To modulate the signal frequency v _o , the crystal I is additionally provided with a device which generates elastic volume deformations of the crystal. This volume deformation basically modifies the Debeye temperature of the crystal lattice. This results in corresponding variations in the natural frequencies of the grating oscillators for each propagation vector of a sound propagation permitted in the dispersion range. The variation of the natural frequency v ₁₂ in crystal I is shown in FIG. 2 clearly shown in the energy diagram I by a two-sided arrow in the energy state line JE _1. By varying the energy difference between the energies E ₁ and E ₂ , there is a periodic change in the associated natural frequency v ₁₀ , so that with the frequency V ₁ fixed, a modulated signal frequency or signal carrier frequency v ₂ is produced.

Die periodischen, elastischen Volumenänderungen des auf dem Substrat 12 befestigten Primärkristalls I werden durch eine schwingungsfähige Platte oder Membran 13 im Primärkristall I erzeugt. Dieser ist zwischen den beiden genannten Platten eingespannt. Die schwingungsfähige Platte 13 wird durch ein übertragendes Medium 19 zu mechanischen Schwingungen angeregt. In speziellen Fällen können die modulierenden Schallschwingungen in herkömmlicher Weise auch elektrisch erzeugt werden, indem beispielsweise das Medium 19 als piezoelektrischer Kristall ausgebildet ist.The periodic, elastic volume changes of the primary crystal I attached to the substrate 12 are generated in the primary crystal I by an oscillating plate or membrane 13. This is clamped between the two mentioned plates. The vibratory plate 13 is through a transmitting medium 19 excited to mechanical vibrations. In special cases, the modulating sound vibrations can also be generated electrically in a conventional manner, for example by the medium 19 is designed as a piezoelectric crystal.

In F i g. 3 ist eine spezielle Ausführungsform für eine Vorrichtung angegeben, mit welcher die im Primärkrisiall I erzeugte Signalfrequenz v₂ eine Modulation erfährt. Auf einem schwingungsfähigen metallischen Substrat 31 ist der Kristall I in Gestalt einer Kristallschicht befestigt. Die Kristallschicht ist hinreichend dünn, so daß die elastischen Deformationen des Substrats auf die Metallschicht übertragen werden können. Die primäre Laserfrequenz V₁ wird mit einem solchen Einfallswinkel auf die Kristallschicht I eingestrahlt, daß sie in dieser in Längsrichtung einen Weg mit mehrfachen inneren Reflexionen zurücklegt und erst nach einer bestimmten inneren Wegstrecke je nach der aufgeprägten Krümmung den Kristall wieder verläßt. Die in den Wegstrecken zwischen Reflexionen der Frequenz V₁ entstehenden Streufrequenzen werden an dem Substrat vollständig reflektiert und verlassen den Kristall I in einem hierauf senkrecht stehenden Strahlenbündel. Die Stützen 32 und 33 justieren das Substrat und stellen Randbedingungen für seine Schwingungsformen dar. Durch den Stift 34 werden die mechanischen Schwingungen des Substrats angeregt bzw. auf dieses übertragen.In Fig. 3 shows a special embodiment for a device with which the signal frequency v ₂ generated in the primary crisis I is modulated. The crystal I is fastened in the form of a crystal layer on a vibratory metallic substrate 31. The crystal layer is sufficiently thin that the elastic deformations of the substrate can be transferred to the metal layer. The primary laser frequency V ₁ is radiated onto the crystal layer I at such an angle of incidence that it covers a path in the longitudinal direction with multiple internal reflections and only leaves the crystal again after a certain internal path depending on the impressed curvature. The stray frequencies arising in the paths between reflections of the frequency V ₁ are completely reflected on the substrate and leave the crystal I in a beam that is perpendicular to it. The supports 32 and 33 adjust the substrate and represent boundary conditions for its waveforms. The pin 34 excites or transmits the mechanical vibrations of the substrate.

In F i g. 4 ist eine Weiterentwicklung der Anordnung nach F i g. 3 dargestellt. Diese Weiterentwicklung besteht darin, daß der Kristall I, welcher auf dem Substrat 41 angebracht ist, auf seiner dem Substrat abgewandten Seite mit einer ebenfalls elastischenIn Fig. 4 is a further development of the arrangement according to FIG. 3 shown. This advancement is that the crystal I, which is mounted on the substrate 41, on its the substrate remote side with a likewise elastic

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Kristallschicht 42 bedeckt ist. Das aus diesen drei verschiedenen Medien bestehende schwingende System wird durch die Halterung 43, 44, 46 und 47 justiert. Im Gegensatz zur Anordnung nach F i g. 3 tritt die primäre Laserfrequenz V₁ in einer schmalen Stirnseite des Kristalls I in diesen ein und verläßt ihn nach einigen inneren Reflexionen je nach der aufgeprägten Krümmung auf der gegenüberliegenden Stirnseite. Auf den inneren Wegstrecken der Frequenz V₁ im Kristall I entsteht die Streufrequenz v₂. Diese wird am Substrat 41 totalreflektiert und verläßt den Körper 42, der für die Frequenz V₂ durchlässig ist, in senkrechter Richtung als Strahlenbündel. ■ .·,-■■Crystal layer 42 is covered. The oscillating system consisting of these three different media is adjusted by means of the mounts 43, 44, 46 and 47. In contrast to the arrangement according to FIG. 3, the primary laser frequency V ₁ enters a narrow end face of the crystal I and leaves it after a few internal reflections depending on the impressed curvature on the opposite end face. The scattering frequency v ₂ arises on the inner paths of frequency V _{1 in crystal I.} This is totally reflected on the substrate 41 and leaves the body 42, which _{is transparent to the frequency V 2} , in the vertical direction as a beam. ■. ·, - ■■

Im Gegensatz zur Anordnung nach F i g. 3 kann in der Anordnung nach F i g. 4 der Primärkristall I wesentlich dicker sein.-Die Deformation des Substrats überträgt sich ebenfalls auf den Primärkristall I und den abdeckenden Körper 42. Zur Schwingungsanregung ist wiederum beispielsweise ein Stift 45 vorgesehen, welcher das Substrat 41 zu Biegeschwingungen anregt.In contrast to the arrangement according to FIG. 3 can in the arrangement according to FIG. 4 the primary crystal I be much thicker.-The deformation of the substrate is also transferred to the primary crystal I and the covering body 42. A pin 45, for example, is again used to excite vibrations provided, which excites the substrate 41 to flexural vibrations.

In F i g. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt, in dem gleiche Bauteile wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.In Fig. 5 another embodiment of the invention is shown schematically, in the same Components as in Fig. 1 are provided with the same reference numerals.

Über den beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 dargelegten Sachverhalt hinausgehend, wird in dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 neben der optischen Kopplung zwischen den korrespondierenden Kristallen II und III zusätzlich eine optische Rückkopplung vorgenommen. Wie bereits oben erläutert, wird die optische Kopplung dadurch ermöglicht, daß die Kristalle II und III durch die gleiche Eigenfrequenz r₃₄ der Gitteroszillatoren ausgezeichnet sind und daß durch die im Kristall II erzeugte Kopplungsfrequenz v_s in dem angeregten Kristall III die als Signalfrequenz vorgesehene Frequenz v₂ reproduziert und durch die Anregungsenergie dieses Kristalls verstärkt wird.Going beyond the facts set out in the exemplary embodiment according to FIG. 1, in the exemplary embodiment according to FIG. 5, in addition to the optical coupling between the corresponding crystals II and III, an optical feedback is also carried out. As already explained above, the optical coupling is made possible by the fact that the crystals II and III are distinguished by the same natural frequency r _{34 of} the lattice oscillators and that the frequency v provided as the signal frequency in the excited crystal III by the coupling frequency v _{s generated in the crystal II} _{2 is} reproduced and amplified by the excitation energy of this crystal.

Darüber hinaus beruht die optische Rückkopplung auf einer optischen Rückführung der im Kristall III erzeugten Signal- bzw. Signalträgerfrequenz v_z in den induzierenden nichtangeregten korrespondierenden Kristall II. Dort wird die rückgekoppelte verstärkte Strahlung v<, nach einer einstellbaren Phasenverschiebung in dem optischen Phasenschieber 54 und nach einer regulierbaren Einstellung der Polarisationsebene in dem nach Faraday wirkenden Medium 56 in einen optischen Resonator 51, 53 mit der Ausgangsstrahlung der Frequenz v.₂ im nichtangeregten Kristall II vereinigt. Auf diese Weise wird die aus der Anregungsenergie der Gitteroszillatoren im Kristall III auf die Signalfrequenz v_ä übertragene verstärkende Energie auf die Eingangsenergie des Kristalls II rückgekoppelt, was zur Folge hat, daß nunmehr die induzierende Strahlung mit der Frequenz v₃ der optisch korrespondierenden Kristalle II und III eine erhöhte Stimulationswirkung auf das im Kristall III enthaltene quantenmechanische Energiereservoir ausübt. Man kann somit sagen, daß die zunächst vorgesehene optische Kopplung zwischen den Kristallen II und III durch die zusätzliche optische Rückkopplung erhöht wird. Es sei hierzu bemerkt, daß dieser hier dargelegte Sachverhalt in herkömmlichen Beispielen der Nachrichtentechnik nicht in analoger Weise vorgebildet ist, da im.vorliegenden Fall der beschriebene optische Gesamtmechanismus zwischen den Kristallen II und III durch eine selbsttätig mit der Verstärkung eintretende Erhöhung der optischen Kopplungsparameter zustande kommt. Es sei auch hier nochmals bemerkt, daß es sich bei den vorkommenden optischen Frequenzen um Laserfrequenzen handelt, welche jedoch von den Eigenfrequenzen der verwendeten Kristalle unabhängig sind. Außerdem bleiben sowohl bei der Erzeugung der einzelnen Frequenzen in der Anordnung gemäß der Erfindung als auch bei der optischen Kopplung und der optischen Rückkopplung innerhalb der korrespondierenden Kristalle II und III feste Phasenverhältnisse der einzelnen Teilstrahlen erhalten. Dieser Sachverhalt ist deshalb besonders bemerkenswert, weil er nur bei Strahlungen mit Laserintensitäten auftritt.In addition, due v _z in the inducing unexcited corresponding crystal II the optical feedback on an optical feedback of the III in the crystal signal or signal carrier frequency generated. There, the feedback amplified radiation is v ', after an adjustable phase shift in the optical phase shifter 54 and to an adjustable setting of the polarization plane in the medium 56 acting according to Faraday in an optical resonator 51, 53 with the output radiation of the frequency v. _{2 combined} in the non-excited crystal II. In this way, the amplifying energy transferred from the excitation energy of the grid oscillators in crystal III to the signal frequency v _{ä is} fed back to the input energy of crystal II, with the result that now the inducing radiation with frequency v _{3 of} the optically corresponding crystals II and III exerts an increased stimulation effect on the quantum mechanical energy reservoir contained in the crystal III. It can thus be said that the initially provided optical coupling between crystals II and III is increased by the additional optical feedback. It should be noted in this regard that this fact set out here is not represented in an analogous manner in conventional examples of communications technology, since in the present case the overall optical mechanism described between crystals II and III comes about through an increase in the optical coupling parameters that occurs automatically with the amplification . It should also be noted here again that the optical frequencies that occur are laser frequencies which, however, are independent of the natural frequencies of the crystals used. In addition, both when generating the individual frequencies in the arrangement according to the invention and in the case of the optical coupling and the optical feedback within the corresponding crystals II and III, fixed phase relationships of the individual partial beams are retained. This fact is particularly noteworthy because it only occurs with radiation with laser intensities.

Ein zu dem Resonator 51, 53 korrespondierender Resonator 16, 58 mit gleichen Moden schließt den Kristall III ein. Aus dem halbdurchlässigen Spiegel 16 kann das verstärkte Signal der Trägerfrequenz v„ austreten. In einer anderen Art der Auskopplung kann die in den Resonator 51,53 rückgekoppelte und mit der Ausgangsstrahlung der Signalfrequenz v» phasengerecht und mit gleichsinnig wirkenden Polarisationsverhältnissen vereinigte Gesamtstrahlung der verstärkten Signalfrequenz v.-, ebenso durch einen in geeigneter Weise im Resonator 51, 53 angeordneten halbdurchlässigen Spiegel ausgekoppelt werden.A resonator 16, 58 corresponding to the resonator 51, 53 and having the same modes encloses the crystal III. The amplified signal of the carrier frequency v " can emerge from the semitransparent mirror 16. In another type of decoupling, the total radiation of the amplified signal frequency v.-, which is fed back into the resonator 51, 53 and combined with the output radiation of the signal frequency v »in phase and with polarization ratios acting in the same direction, can also be arranged in a suitable manner in the resonator 51, 53 semi-permeable mirror are coupled out.

Zusammenfassend kann also gesagt werden, daß bei zunächst unmodulierter aus dem Kristall I in den Kristall II eingestrahlter Signalfrequenz v₂ eine induzierte Strahlung mit der Frequenz 7·₃ erzeugt wird, welche im Kristall III die Signalfrequenz v_a reproduziert. Die reproduzierte Frequenz v₂ wird aus der Anregungsenergie der Gitteroszillatoren mit der Eigenfrequenz v._M verstärkt. Diese Verstärkung hängt jedoch sowohl von der Anregungsenergie des Kristalls III als auch von der Intensität der stimulierenden Frequenz v₃ ab. Der bisher dargelegte physikalische Sachverhalt stellt die optische Kopplung des korrespondierenden Systems dar. Im nachrichtentechnischen Sinn handelt es sich bei diesem Sachverhalt — welcher für das Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 gilt — um eine einzige Stufe eines beispielsweise mehrstufigen Verstärkers.In summary, it can be said that with initially unmodulated signal frequency v ₂ radiated from crystal I into crystal II, induced radiation with the frequency 7 * _{3 is} generated which reproduces the signal frequency v _{a in crystal III.} The reproduced frequency v ₂ is derived from the excitation energy of the grid oscillators with the natural frequency v. _M reinforced. However, this amplification depends both on the excitation energy of the crystal III and on the intensity of the stimulating frequency v ₃ . The physical facts presented so far represent the optical coupling of the corresponding system. In the telecommunications sense, these facts - which for the exemplary embodiment according to FIG. 1 applies - to a single stage of a multi-stage amplifier, for example.

Der wesentliche Teil einer derartigen Verstärkerstufe (Fig. 1 ist also in den optisch gekoppelten korrespondierenden Kristallen II und III mit gleicher Eigenfrequenz v_M der Gitteroszillatoren zu sehen. Der Kristall I stellt dabei eine für die hochfrequente Nachrichtenübermittlung immer notwendige Modulationseinrichtung für die Aufprägung einer im allgemeinen niederfrequent vorliegenden Information auf den hochfrequenten Träger dar.The essential part of such an amplifier stage (Fig. 1 can therefore be seen in the optically coupled corresponding crystals II and III with the same natural frequency v _{M of} the grid oscillators low-frequency information on the high-frequency carrier.

Die Ausführungsform nach F i g. 5 hat infolge der optischen Rückkopplung der Signal- bzw. Signalträgerfrequenz j'., den Charakter einer Leistungsverstärkerstufe im herkömmlichen nachrichtentechnischen Sinn; denn durch die Rückführung der im Kristall III reproduzierten und verstärkten Signalbzw. Signalträgerfrequenz v., wird im Kristall II eine induzierende Strahlung der Frequenz r₃ von höherer Intensität erzeugt, welche nunmehr "die Energieentnahme aus den angeregten Gitteroszillatoren des Kristalls III ebenfalls erhöht und damit eine Intensitätserhöhung der Signalstrahlung mit der Frequenz r, bewirkt.The embodiment according to FIG. As a result of the optical feedback of the signal or signal carrier frequency j '., 5 has the character of a power amplifier stage in the conventional communications engineering sense; because by returning the signal or signal reproduced and amplified in crystal III. Signal carrier frequency v., An inducing radiation of the frequency r ₃ of higher intensity is generated in the crystal II, which now "also increases the energy extraction from the excited grid oscillators of the crystal III and thus increases the intensity of the signal radiation with the frequency r .

Im Gegensatz zu der Ausführungsform nach F i g. 1In contrast to the embodiment according to FIG. 1

wird bei der Ausführungsform nach F i g. 5 durch die optische Rückkopplung eine zusätzliche Anhebung der Intensität der Signal- bzw. Signalträgerfrequenz erzielt.is in the embodiment according to FIG. 5 through the optical feedback an additional increase in the intensity of the signal or signal carrier frequency achieved.

Ersichtlich prägen sich die durch die Modulation der ursprünglichen Signal- bzw. Signalträgerfrequenz v, aufgeprägten Änderungen entsprechend auf die stimulierende Strahlung mit der Frequenz v_z auf, so daß die reproduzierte und verstärkte Signalstrahlung v₂ diese Modulation wieder enthält.Seen, the v by modulating the original signal or signal carrier frequency, imposed changes shape corresponding to the stimulating radiation at frequency v _z, so that the reproduced and amplified signal radiation v ₂ again this modulation contains.

Eine Ankopplung der als Vorstufe zu betrachtenden Anordnung nach Fig. 1 an die als Endstufe zu betrachtende Anordnung nach F i g. 5 kann beispiels-A coupling of the arrangement to be considered as a preliminary stage according to FIG. 1 to that as an output stage viewing arrangement according to FIG. 5 can for example

weise derart erfolgen, daß die aus dem Kristall III nach Fig. 1 austretende verstärkte Signalstrahlung direkt über den halbdurchlässigen Spiegel 51 in den Kristall II nach F i g. 5 eingestrahlt wird.wisely take place in such a way that the amplified signal radiation emerging from the crystal III according to FIG. 1 directly via the semitransparent mirror 51 into the crystal II according to FIG. 5 is irradiated.

Um den Vergleich mit der konventionellen Verstärkertechnik abzuschließen, sei noch bemerkt, daß die z. B. aus einer (nicht dargestellten) äußeren Quelle stammende anregende Strahlung v_3i für die Gitteroszillatoren des Kristalls III als die entsprechende Speisegröße betrachtet werden kann. Diese Energiequelle liefert analog wie eine Gleichvorspannungsquelle die Energie, welche für den Verstärker- bzw. Oszillatorprozeß aufzuwenden ist.To complete the comparison with the conventional amplifier technology, it should be noted that the z. B. originating from an external source (not shown) stimulating radiation v _3i for the grid oscillators of the crystal III can be regarded as the corresponding feed variable. This energy source supplies the energy which is to be used for the amplifier or oscillator process in an analogous manner to a DC bias voltage source.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Optical crystal arrangement for frequency conversion, amplification and / or modulation of optical signals using the vertical scattered radiation from natural oscillations of the lattice oscillators of nonlinear crystals, triggered by optical frequencies of high intensity, especially laser frequencies, characterized in that a primary crystal (I) is used , which, from an optical primary frequency (^ ₁ ) radiated into it, generates a second optical frequency (v ₂ ) serving as a signal or as a signal carrier by scattering at a not additionally excited natural frequency (v ₁₂ ) of the grid oscillators, that at least two further, optically coupled Crystals (II, III) with the same natural frequency (^ ₃₄ ) of the lattice oscillators but different from that of crystal (I) are provided, the natural frequency (v _u ) of the lattice oscillators of the first (II) of the optically coupled crystals not being excited and that of the second (III) the optically coupled crystals is excited that the primary crystal (I) and the first crystal (II) of the optically coupled crystals interact via the optical frequency (v ₂ ) serving as a signal or signal carrier and that the second crystal (III) of the optically coupled crystals with excited natural oscillation (v ₃₄ ) of the grid oscillators serves as an output for the newly generated or amplified signal (^ ₂ ) (Fig. 1).

2. Crystal arrangement according to claim 1, characterized in that the optically coupled crystals (II, III) _{are fed back via the signal or signal carrier frequency (v o} ) (F i g. 5).

3. Crystal arrangement according to claim 2, characterized in that the first crystal (II) of the optically coupled crystals (II, III) is arranged in an optical resonator (Sl, 53) for the signals or signal carrier frequency (v _o ) .

4. Crystal arrangement according to one of claims 2 and 3, characterized in that both the original in the crystal (II) of the optically coupled crystals (II, III) radiated signal or signal carrier frequency (v _v ) and the fed back signal or . Signal _{carrier frequency (^ 0} ) in the optical resonator (Sl, 53) of the first "crystal (II) of the optically coupled crystals with the same mode, phase and polarization relationships come to resonance.

5. crystal arrangement according to one of claims 2 to 4, characterized in that in the feedback path between the optically coupled crystals (II, III) is an optical one Phase shifter (54) is arranged with a controllable optical path length.

6. crystal arrangement according to one of the claims 2 to 5, characterized in that a device (56) for rotating the plane of polarization in the optical feedback path is arranged between the optically coupled crystals (II, III).

7. Crystal arrangement according to one of claims 2 to 6, characterized in that in the optical resonator (51, 53) of the first (II) of the optically coupled crystals (II, III) for the signal or signal carrier frequency (^ ₂ ) a semi-transparent Mirror (51) is arranged in such a way that the signal or signal carrier frequency can be decoupled from the resonator.

8. crystal arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized by a mechanical Device (19) on the primary crystal (I) for changing, especially periodic Change of the controlling natural frequency of the grid oscillators of this crystal by a corresponding change in volume.

9. crystal arrangement according to claim 8, characterized in that the primary crystal (I) fastened and clamped on two opposite surfaces between two plates (12, 13) is, one of which serves as a stationary support (12) and the other (13) to carry out vibrations is able (Fig. 1).

10. crystal arrangement according to claim 9, characterized in that the vibrations executing plate (13) on the primary crystal (I) is part of a mechanically oscillating system.

11. crystal arrangement according to claim 10, characterized in that the vibrations executing plate (13) on the primary crystal (I) with an electrically excited piezoelectric crystal (19) is connected.

12. Crystal arrangement according to claim 8, characterized in that the primary crystal (I) as a thin layer on an elastic substrate that carries out mechanical vibrations (31, 41) is applied (Figs. 3 and 4).

13. Crystal arrangement according to claim 12, characterized in that the in the formed as a thin layer of the primary crystal (I) radiated optical frequency (V ₁ ) penetrates the layer in the longitudinal direction with multiple reflection and the natural frequency controlled by the natural vibrations (v ₂ ) of the Lattice oscillators generated by scattering signal or signal carrier frequency (v *,) emerges perpendicular to the vibrating plate (Fig. 3).

14. Crystal arrangement according to claim 12, characterized in that the vibratable Substrate (31, 41) held at its end (32, 33; 43, 44) and in its central area can be mechanically excited by a vibrating pin (34, 45).

15. Crystal arrangement according to claims 12 to 14, characterized in that the primary crystal (I) formed as a thin layer on its side facing away from the substrate (41) with a for the signal or signal carrier frequency (■>'.,) Permeable and for the irradiated frequency (v ₂ ) totally reflective layer (42) is covered.

16. Crystal arrangement according to claims 12 to 15, characterized in that the irradiated frequency (^ ₁ ) in the formed as a thin layer primary crystal (I) penetrates in the longitudinal direction through an end face and this due to total internal reflection on the substrate and on the for The angle of incidence of this frequency (^ ₁ ) leaves the totally reflective layer (42) in its longitudinal direction again (FIG. 4).

17. Crystal arrangement according to claims 1 to 16, characterized in that the optical

I 514 660

3 43 4

Coupling of the optically corresponding crystals is not excited and that of the second of the stalls (II, III) with the same natural frequency (v ₃₄ ) of the optically coupled crystals is excited that the grid oscillators have a scattering of the primary crystal and the first of the optically coupled signal - Or signal carrier frequency (v ₂ ) on the crystals via the natural frequency (v _3i ) of the Kri- 5 serving optical frequency in interaction stalls (II) generated _{as a signal or as a signal carrier unexcited natural frequency (^ 3} ) and that the second of the optically coupled is provided that by scattering the opti- crystals with excited natural oscillation of its see frequency (^ ₃ ) on the excited natural lattice oscillators as an output for the newly generated frequency (i> ₃₄ ) of the crystal (III) the signal or or amplified signal is used. The essential Ge signal _{carrier frequency (^ 2} ) and, through the quantum point of view, consists in a special optical excitation of the natural frequency (r _a4 ), increased coupling of any laser frequencies generated by scattering at lattice oscillators.

18. Crystal arrangement according to claims 1 This coupling is done in two ways, up to 17, characterized in that the fundamentally a scattered laser beam randomly setting the natural frequency (r ₃₄ ) of the crystal (III) 15 ger frequency in a system of two corresponding an external radiation, for example a generating crystal, between which a laser radiation is generated with an optical coupling of _{the natural frequency (^ 34).} This comes the same frequency is made. by coming about that an optical interaction

19. Crystal arrangement according to one of the equal natural vibrations of the preferred Proverbs 1 to 18, characterized in that 20 grid oscillators in the corresponding Kridie exciting frequency (v ₃₄ ) takes place from a spectrum stable system. The crystals of this system with a mean frequency (^ ₄ ) as residual rays differ in that in the former the natural vibrations of the lattice oscillator (17, 18) with the same properties as the gates are not excited after multiple reflections on crystals, while in the second crystal (ΙΠ) is generated. 25 crystal the corresponding natural frequency

20. Use a crystal arrangement after is excited. In this way it becomes possible to claim the before 1 as a preliminary stage of a multi-stage drawn laser frequency, which is initially used in the non-optical amplifier of any frequency. excited crystal enters and there through a scattering

21. Using a crystal arrangement according to the frequency, the excited crystal is optically induced, Claim 1 and 2 as a final stage of a more- 30 in the excited crystal a radiation same stage amplifier with a pre-stage to reproduce frequency, which however now Claim 20 receives an additional supply of energy through the quantum excitation of the grid oscillators and thus from the energy reserve of the excited lattice oscillator

35 goals is reinforced. This reproduced in this way quantum electronically Any amplified signal frequency can then be used as information or as an information carrier continue to be used. Of fundamental

The present invention relates to a meaning here is that the arrangement

optical crystal arrangement for frequency conversion, 40 according to the invention taking place optical

Amplification and / or modulation of signals interaction is suitable for any laser frequencies

taking advantage of the vertical scattered radiation and thus not to solid electrical energy caused by nature

Conditions given by the natural vibrations of the grid oscillators from Nischer crystal systems

nonlinear crystals, raised by optical bound.

Frequencies of high intensity, in particular of laser 45. According to a development of the invention are

frequencies. the optically coupled, corresponding crystals

It has already been proposed that the physical return via the signal or signal carrier frequency

calic effect of Raman scattering for amplifiers, coupled. In this way, the

Oscillator and modulation purposes in the optical excited crystal reproduced and amplified frequency

Exploiting frequency range. 50 into the unexcited, inducing crystal

Here it is possible to reflect back from a given and there with the same frequency of the Laser radiation to generate new frequencies and originate in a resonator united so that the to use them as information carriers. The pre-amplified branch of the frequency now partially The present invention itself makes a contribution to the inducing component of this in several aspects over the already proposed possibilities 55 delivers frequency. This makes the optical head ment of the corresponding crystals increases and

According to the invention it is provided that a thus the energy extraction from the excited

Primary crystal is used, which consists of a grid oscillator of the second corresponding

The optical frequency radiated into it is enlarged by crystals. The essence of this physical

Scatter on a selected non-additional issue consists in one due to feedback

excited natural frequency of its lattice oscillators increased optical induction by the

a second corresponding crystal, which serves as a signal or as a signal carrier, is produced

optical frequency that generates at least two quantum amplification from the energy reservoir of the

further optically coupled crystals with mutually excited lattice oscillators,
other identical, but different from that of the primary crystal 65. The process of optical feedback from

different natural frequencies of their grid oscillators to the amplifying on the inducing corres-

are provided, whereby the natural frequency of the lattice-ponding crystal is still determined by

oscillators of the first of the optically coupled that the amplified, fed back frequency and the