DE1589075C - Nichtreziproker elektrooptischer Lichtmodulator - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen elektrooptischen Licht- befindet sich ein Mikrowellcnübergangsstück, das die

modulator mit einem zwischen einem Polarisator Polarisationsebene des MikrowcHcnfcldcs um ¹K)

und einem dazu gekreuzten Analysator liegenden dreht. Die Kristalle sind in der aus F i g, 1 ersichtlichen

Wellenleiter, in dem mindestens ein doppelbrechender Weise orientiert, wobei die Achsen .v, y und ζ die-

Kristall vom KDP-Typ angeordnet ist, dessen Längs- 5 jenigen des Indexellipsoids sind. Die x-Achse des

achse mit der Wellenleiterachse und der Fortpflan- einen Kristalls und die y-Achse des anderen Kristalls

zurigsrichtung des Lichtes zusammenfällt und dessen verlaufen parallel zur.Lichtfortpllanzung. Die Kristalle

optische Achse parallel zu dem elektrischen Feldvektor sind so orientiert, daß dielektrischen Vektoren der

einer sich in dem Wellenleiter mit gleicher Phasen- Mikrowellenfelder senkrecht zur Lichtfortpflanzung

geschwindigkeit wie das Licht fortpflanzenden Mikro- _I0 und parallel zu der jeweiligen z-Achse (optischen

welle verläuft·. Achse) der Kristalle verlaufen. Die verwendeten

In der deutschen Patentschrift 1 277442 ist ein Kristalle haben doppelbrechende Eigenschaft, wobei elektrooptischer Lichtmodulator vorgeschlagen wor- ihr Brechungsindex in Richtung der z-Achse unden, mit dem die Resonanzschärfe eines Lasers be- abhängig von der elektrischen Feldstärke ist, während einfiußt werden kann. Die Anordnung kann aber i₅ in den beiden anderen Achsenrichtungen Doppelauch sonst als Lichtverschluß oder Modulator dienen. brechung unter der Einwirkung elektrischer Felder Diese Anordnung ist reziprok, weil ein elektrisches auftritt. ·

Gleichfeld zur Beeinflussung der optischen Achse Die hier verwendeten Kristalle sind optisch einder Kristalle verwendet wird. Es ist ferner fein Licht- achsig, d. h., die Lichtfortpflanzung längs einer bemodulator bekannt, bei dem ein doppelbrechender 20 stimmten Achse, der optischen Achse (z-Achsc), Kristall vom KDP-Typ einem Wellenleiter so an- ist unabhängig von der Polarisationsrichtung des geordnet ist, daß der elektrische Vektor des Mikro- einfallenden Lichtstrahls. Der elektrooptische Effekt . wellenfeldes, die optische Achse des Kristalls, die in Kristallen, kommt durch eine induzierte Doppel-Ausbreitungsrichtung der Mikrowelle und die des brechung zustande, die. bei Einwirkung eines elek-Lichtes parallel zueinander verlaufen und bei der die 25 trischen Feldes längs einer bestimmten Kristallachse Phasengeschwindigkeit der Mikrowelle der Ausbrei- zustande kommt. Die Doppclbrechung beruht betungsgeschwindigkeit des Lichtes angeglichen ist. kanntlich auf der Anisotropje der Brechungsindizes. Dieser bekannte Modulator wird mit einer stehenden Doppelbrechende Kristalle werden am besten durch Mikrowelle im TM-Modus betrieben. das Fresnelsche Ellipsoid beschrieben, dessen Haupt-Bekannte nichtreziproke Lichtsteuervorrichtungen 30 «achsen proportional zu den Hauptbrechungsindizes beruhen auf dem magnetooptischen Faradäyeffekt, des Kristalls sind. In einachsigen Kristallen sind zwei der Phasen- und Polarisationsänderungen, hervor- Hauptbrechungsindizes gleich, so daß das Fresnelsche rufen kann. Damit lassen sich optische Umschalter Ellipsoid ein Rotationsellipsoid darstellt. Deshalb und Ausschalter bauen. Diese Vorrichtungen haben tritt Für einen senkrecht zur Ebene der beiden gleichen aber den Nachteil, daß die Erzeugung magnetischer 35 Brechungsindizes verlaufenden Lichtstrahl keine Pop-Felder umfangreiche Hilfsvorrichtungen benötigt, pelbrechung auf. Diese Fortpflanzungsrichtung be-

Der Lichtmodulator nach der Erfindung zeigt stimmt die optische Achse des Kristalls. Kristalle

ebenfalls nichtreziprokes Verhalten, doch sind bei mit drei verschiedenen Hauptbrechungsindizes sind

ihm die Nachteile der bekannten^ nichtreziproken zweiachsig, haben also zwei optische Achsen. Der

Lichtsteuervorrichtungen erfindungsgemäß dadurch 40 elektrooptische Effekt in Kristallen beruht nun darauf,

vermieden, daß der im TE-Modus betriebene Wellen- " daß normalerweise einachsige Kristalle zweiachsig

leiter zwei Abschnitte aufweist, die mittels eines die werden, wenn ein elektrisches Feld parallel zur ·

Polarisationsebene der fortschreitenden Mikrowelle optischen Achse angelegt wird. Die vorher gleichen

um 90° um die gemeinsame Achse drehenden über- Brechungsindizes in Richtung der x-Achse und der

gangsstücks verbunden sind, und daß sich in den 45 y-Achse werden also verschieden, wenn ein elektrisches beiden Wellenleiterabschnitten gleichachsig angeörd-- Feld in Richtung der z-Achse auftritt. Dadurch kann

nete Kristalle befinden, deren Länge jeweils gleich die Polarisation des durch den Kristall gehenden

der halben Mikro.wellenlänge ist und deren optische Lichtstrahls moduliert oder gesteuert werden. Die

Achsen "senkrecht zu der gemeinsamen Längsachse Drehung der Polarisationsebene läßt sich mittels

und senkrecht zueinander verlaufen. 50 eines optischen Analysators in Intensitätsschwan-

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der. kungen umsetzen. Durch Wahl geeigneter Abmes-

Zeichnung erläutert. Hierin ist . - " sungen und' Feldstärken kann beim Durchgang

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer erfin- linearpolarisierten· Lichtes eine Phasendrehung um

dungsgemäßen· elektrooptischen Lichtsteuervorrich- 90° längs der x-Achse und der y-Achse erreicht werden,

tung, ■ - ' 55 Der erwähnte ältere Vorschlag "betrifft eine An-

F i g. 2 die - schematische Darstellung eines Aus- Ordnung, bei ■ der eine Gleichspannung senkrecht

führungsbeispiels der Erfindung und zur optischen Achse mittels Elektroden an den

F i g. 3 eine graphische Darstellung des relativen betreffenden Kristall angelegt wird. Die beiden Kri-

Verlaufs des elektrischen Vektors der Mikrowelle, stalle sind unter Freilassung eines Zwischenraumes

des elektrischen Vektors der Lichtquelle und der 60 so hintereinander angeordnet, daß die elektrischen

Orientierung eines Kristalls. . Fejdlinien in ihnen senkrecht zueinander verlaufen.

Die Erfindung bedient sich einer Pockelszelle zur In der vorliegenden Erfindung ist die Anordnung

nichtreziproken Beeinflussung der Lichtfortpflanzung. ähnlich, aber statt Gleichspannungen werden fort-

Zwei den elektrooptischen Pockelseffekt zeigende schreitende Mikrowellen verwendet. Hierdurch wird

Kristalle sind hintereinander in der Achse eines. Hohl- 65 ein nichtreziproker Lichtdurchlaß erzielt, wobei die

leiters angeordnet. Als solche Kristalle kommen vor- optische Durchlaßrichtung in gleicher Richtung wie

zugsweise primäre Phosphate in Frage, z. B. primäres die Fortpflanzungsrichtüng der Mikrowellen ver-

Kaliumphosphat. Zwischen den beiden Kristallen läuft.

. In F i g. I sind nur die wesentlichen Teile der Anordnung dargestellt, wobei die Richtungen der elektrischen Vektoren der Mikrowelle durch die Teile 5 und 6 bezeichnet sind. Die als langgestreckte Stäbe ausgebildeten elektrooptischen Kristalle 10 und 11 sind so angeordnet, daß die y-Achse des Kristalls 10 und diex-Achse des Kristalls 11 in Lichtfortpflanzungsrichtung hintereinanderliegen. Die Kristalle haben z. B. quadratischen oder auch rechteckigen Querschnitt.' Wesentlich ist nur, daß die Abmessungen in r-Richtung die gleichen sind. Die Längsachse jedes Stabes soll parallel oder senkrecht zur (NO)-Ebene des Kristalls und parallel zur xy-Ebene desselben verlaufen. Der zu steuernde Lichtstrahl kommt von einer durch den Pfeil 12 angedeuteten Lichtquelle und geht zunächst durch ein Polarisationsfilter 14, bevor er in den ersten Kristall 10 eintritt. Am Ausgang der Vorrichtung ist ein Analysator 15 mit zum PoIa- ■ risationsfilter 14 gekreuzter Polarisationsebene angeordnet. Der elektrische Vektor 16 des Hnearpolarisierten Lichtstrahls hinter dem Filter 14, der die Polarisationsebene desselben angibt, bildet einen

) Winkel von 45° mit der. x-Achse und der z-Achse. des Kristalls 10 und ebenso mit der y-Achse und der z-Achse des Kristalls 11. Die beiden in diese Achsen fallenden Komponenten des. einfallenden Lichtes werden infolgedessen in folgender Weise aufgespalten. Es seien N_x, N_y und N_z die Hauptbrechungsindizes für die Achsen des Indexellipsoids und L die übereinstimmende Länge beider Kristalle in Fortpflanzungsrichtung, sowie d die Breite der Kristalle in z-Richtung, also bei quadratischem Quer-' schnitt die Seitenlänge desselben, λ sei die Wellenlänge des einfallenden Strahls 12. Beim Eintritt in den ersten Kristall 10 von links wird das polarisierte Licht 16 in zwei zueinander senkrechte Komponenten aufgespalten, von denen die eine parallel zur x-Achse des Kristalls 10 und die andere "parallel zur y-Achse des Kristalls 11 schwingt. Sfnd die elektrischen Felder in z-Richtung nicht vorhanden, so sind die Brechungsindizes für parallel zur x-Achse und zur y-Achse schwingende Komponenten identisch. Deshalb erleidet die eine Komponente im Kristall 10 und die andere Komponente im Kristall 11 die gleiche Verzögerung, und beide Komponenten setzen sich am Ausgang des zweiten Kristalls wieder zu einem linear polarisierten' Lichtstrahl zusammen, dessen Polarisationsebene 18 in gleicher- Richtung wie die Polarisationsebene 16 des einfallenden Lichtstrahls verläuft.

Wirkt dagegen ein elektrisches Feld in z-Richtung . der beiden Kristalle, so sind die Brechungsindizes in

j x-Richtung und in ^-Richtung nicht mehr identisch,

weil das angelegte elektrische Feld innere Spannungen der Kristallstruktur erzeugt. Die zueinander senk-, rechten Komponenten des einfallenden linear polarisierten Lichtes erfahren deshalb eine Phasenver-" Schiebung' gegeneinander und setzen sich nach dem Austritt aus dem zweiten Kristall zu einem elliptisch polarisierten Lichtstrahl zusammen, wobei die Exzentrizität · der Polarisationsellipse von der induzierten Phasenverschiebung abhängt. Bei einer bestimmten Feldstärke und einer bestimmten Kristallänge kann erreicht werden, daß die austretenden Komponenten einen Phasenunterschied von gerade 180° haben. Sie setzen sich dann zu einem linear polarisierten Lichtstrahl zusammen, dessen Polarisationsebene um 90° gegen die Einfallsebene gedreht ist.
Im einzelnen erfährt beim Durchgang durch den Kristall 10 längs der y-Achse desselben die .v-Kömponente der Polarisation eine Phasenänderung vor

Φ_χ = —.— N_x radiant, (I)'

und die zur z-Achse parallele Komponente erfährt eine Phasenänderung um

⁷ .-r L Φ- = -^— N. radiant.

Die Phasenänderung im Luftspalt zwischen den beiden Kristallen 10 und'11 ist für beide Komponenten gleich und wird durch eine Konstante « ausgedrückt. Beim Durchgang durch den Kristall. 11 längs.der x-Achse desselben erfährt die y-Komponente der Polarisation eine Phasenänderung um

2 .-τ L

N_y radiant,

während die Phasenänderung der zur z-Achse parallelen Komponente die gleiche wie für die z-Achse des Kristalls 10 ist, nämlich ■

Φ_ζ = —'-— N. radiant.

^v (4)

Somit ergibt sich die gesamte Phasenändefung für die x-Komponente und die y-Komponente nach Durchgang durch beide Kristalle zu '. >

θ, = Φ_ί

InL

θ_χ =

W, +NJ +a- (5) .

Die Phasendifferenz zwischen den beiden. Komponenten ist

J θ = 6>„

l{N_y + N_z)-(N_x + N_z)y.- (7)

Nach Ausrechnung ergibt sich.
InL

ΔΘ i=

(N₇-N_x).

Wird kein elektrisches Feld längs der z-Achsen der beiden Kristalle angelegt, so sind die Brechungsindizes Ny und N_x gleich, also N_y = N_x = N₀. Die Phasendifferenz zwischen den austretenden, zueinander senkrecht polarisierten Komponenten des Lichtstrahls verschwindet dann, d. h.

(9)

Die ursprüngliche Polarisationsebene des einfallenden Lichtstrahls wird also tatsächlich in diesem Falle beibehalten, und der resultierende Polarisationsvektor 18 des austretenden Lichtstrahls hat die gleiche Richtung wie der Polarisationsvektor 16 des eintretenden Lichtstrahls.

Wird ein elektrisches Feld in Richtung der r-Achsc der beiden Kristalle angelegt, also eine elektrische Spannung zwischen den beiden horizontalen Seitenflächen des Kristalls 10 in Richtung des Pfeiles 5. erzeugt und gleichzeitig eine Spannung gleicher Größe an den vertikalen Seitenflächen des Kristalls 11 in Richtung des Pfeiles 6 erzeugt, so ist der Brechungsindex N_y des Kristalls 10 nicht mehr identisch mit dem Brechungsindex N_x des Kristalls 11. Der Brechungsindex N. längs der optischen Achse beider Kristalle bleibt, dagegen unverändert. Der eine der beiden genannten Brechungsindizes nimmt zu. während der.andere um den gleichen Betrag abnimmt. Somit kann geschrieben werden

' "

_T = N₀±AN, _x = N₀^AN,

(10) [W)

hierbei ist AN die Änderung des Brechungsindex durch Einwirkung des elektrischen Feldes. Wird mit r₆₃ eine elektrooptische Konstante und mit Ii die am Kristall - liegende Spannung in z-Richtung bezeichnet, so gilt nach einer bekannten Formel

25

(1.2)

'. Setzt man diese Ausdrücke in Gleichung.(8) ein. • so ergibt, sich · ■ ^s

d?:

(13)

Es zeigt sich somit, daß die Phasenverschiebung _v zwischen den beiden senkrecht, zueinander polari-, sierten Komponenten des Lichtstrahls unmittelbar proportional zur Vorspannung Il und der .Kristalllänge L sowie umgekehrt proportional zur Seitenlange d ist. Durch geeignete Wahl dieser Parameter ist es möglich, am Ausgang wieder einen linear polarisierten Lichtstrahl zu erhalten, dessen Polarisationsebene um 90 gedreht ist: d. h.

Der entsprechende Vektor ist in-Fig. I als der gestrichene Pfeil 18' eingezeichnet.

Die erforderliche. Spannung zur Drehung der Polarisationsebene um 90 kann aus den Gleichungen (13) und (14) bestimmt werden. Man findet

Γ. =

Id

(15)

Der Faktor -^ τΗ*" >*i die sogenannte HaIh-

wellenspannung. d. h. die Spannung, die erforderlich ist. um eine Phasenverschiebung von ,90 /wischen den austretenden Komponenten eines Lichtstrahles zu erzeugen, wenn ein linear polarisierter Licht- < >? strahl in r-Richlungaufden Kristall auffallt, während -gleichzeitig ein elektrisches Feld parallel /ur r-Achso angelegt wird. Hs ergibt mcIi also! daß eine.Verrinnerung der Halbwellenspannung um den Faktor -r auftritt, wenn zwei Kristalle mit gekreuzten optischen Achsen nacheinander von einem senkrecht zu den optischen Achsen einfallenden Lichtstrahl durchlaufen Werden. So wird es möglich, die Betriebsspannung in einem Bereich zu halten, der leicht durch Mikrowellcncnergie aufgebracht werden kann, und dies macht es wieder möglich, erfindungsgemäß eine nichtreziproke Lichtsteueranordnung zu schaffen, bei der die elektrischen Feldvektoren einer fortschreitenden Mikrowelie die .Vorspannungen liefern. Die Anordnung läßt dann nur Licht iri der Fortpflanzungsrichtung der Mikrowellen durch, wenn-die Lichtgeschwindigkeit und die Mikrowellengcschwindigkcit im .elektrooptischen Medium gleich sind und wenn die elektrooptischen Kristalle je eine halbe Wellenlänge der Mikrowelie lang sind. ·

Zu diesem Zweck ist gemäß Fig. 2 eine Mikrowcllenanordnung vorgesehen, welche die E-Vcklorcn 5 und 6 für die Kristalle 10 und 11 liefern kann. Sie besteht aus zwei rechteckigen Hohllcitcrabschniltcn 20 und 21, die zur Fortpflanzung der TE₁₀-WeIIe eingerichtet sind und durch einen Ubcrgangsabschnitl 22 zur Drehung der Polarisationsebene um 90 getrennt sind. Der elektrische Vektor der fortschreitenden Mikrowelie ist senkrecht zu den Breitseiten der Hohlleiterabschnitte. Der Kristall 10 ist im Abschnitt 20 und der Kristall 11 im Abschnitt 21 derart befestigt, daß die den Vektoren 5 und 6 entsprechenden Felder Vorspannungen an den Kristallen in den angegebenen . Richtungen erzeugen. Selbstverständlich ist der Ubergangsabschnitt 22 so ausgebildet, daß er eine Durchblicköffnung in seiner Mitte hat. deren Querschnitt mindestens so groß wie derjenige der beiden Kristalle 10 und 11 ist, die axial fluchten, so daß optische Energie in Längsrichtung der Mikrowellenanordnung übertragen werden kann.

Impcdanzanpassungsglicdcr können gegebenenfalls an den Enden der MikrowcHcnanordnung angeordnet sein. ■ "..·.

Ein Mikrowellcnerzcuger 24 kann über einen Mikrowcllcnumschaltcr 26 bekannter Art wahlweise mit den beiden Enden der Mikrowcllenanordnuhg verbunden werden, um die Fortpflanzungsrichtung der Mikfowellcnencrgie durch den Hohlleiter zu wechseln und so die Richtung vorzuschreiben, in welcher die Lichtencrgic'die Anordnung durchsetzen kann.

Die MikrowcHcnanordnung ist so ausgebildet, daß sie eine Phasengeschwindigkeit in den elektrooptischen Kristallen ergibt, die gleich der Lichtgeschwindigkeit in . Fortpflanzungsrichtung in den ' Kristallen ist.. Die Länge der. Kristalle ist eine halbe Wellenlänge der Mikrowelie.

Im Betrieb ergibt sich eine resultierende Verlangsanuing der Lichtwellc zwischen den zueinander senkrechten Komponenten des einfallenden polarisierten Lichtes für Licht." das in gleicher Richtung wie die Mikrowelie die Anordnung durchläuft. z.B. von links nach rechts in F i g. 2. Dies rührt da\on her. daß das Mikrowellenfcld und das Lichlwellenfeld in dein elektrooptischen Medium mit gleicher Geschwindigkeit fortschreiten und daß der elektrische Fekhektor E des Lichtstrahls einer bestimmten Phase stets die gleiche Mikrowellenfeldstärke in den Krislallen 10 und .11 vorfindet. Das Ausmaß der resultierenden Verzögerung /wischen den.beiden Komponenten hängt \on der Mikrowellonfeldstärke al.f und

bestimmt den Durchlaßgrad durch die Anordnung. Die durchgelassene Lichtintensität ist mathematisch durch folgenden Ausdruck gegeben:

/ = I₀ sin² KE_n,

(16)

wobei /₀ die Intensität der einfallenden Lichtwelle, K eine Konstante des elektrooptischen Materials und E_m der Scheitelwert der elektrischen Feldstärke in der Mikrowelle ist. Für einen bestimmten Wert von E_n kann somit theoretisch ein optisches Durchlaßvermögen von 100% erreicht werden.

Wenn nun der Lichtstrahl von der entgegengesetzten . Seite, z. B. von rechts in die Anordnung einfällt und sich entgegen der Fortpflanzungsrichtung der Mikrowelle fortpflanzt, so erfahren die zueinander, senkrechten Komponenten des einfallenden linear polarisierten Lichtes keine gegenseitige Verzögerung, weil ■ sie je um eine volle Wellenlänge des Mikrowellenfeldes fortschreiten, denn jeder Kristall ist eine halbe Wellenlänge lang. Dies ist in F i g. 3 erläutert. Da sich keine gegenseitige Verzögerung der beiden' Komponenten ergibt, bleibt beim Verlassen der elektrooptischen. ■ Kristalle die ursprüngliche Polarisation des Lichtstrahls erhalten; Deshalb findet in dieser Fortpflanzungsrichtung kein Lichtdurchlaß statt, weil der Analysator mit dem Polarisator gekreuzt ist. Somit ergibt sich bei Erfüllung der genannten Bedingungen tatsächlich ein nichtreziproker Lichtdurchlaß:

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Elektrooptischer Lichtmodulator mit einem zwischen einem Polarisator und einem dazu gekreuzten Analysator liegenden Wellenleiter, in dem mindestens ein doppelbrechender Kristall vom KDP-Typ angeordnet ist, dessen Längsachse mit der Wellenleilerachse und. der Fortpflanzungsrichtung des Lichtes zusammenfällt und dessen optische Achse parallel zu dem elektrischen Feldvektor einer sich in dem. Wellenleiter mit gleicher Phasengeschwindigkeit, wie das Licht fortpflanzenden Mikrowelle verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß der im TE-Modus betriebene Wellenleiter zwei Abschnitte (20, 21) aufweist, die mittels eines die Polarisationsebene der fortschreitenden Mikrowelle um 90° um die gemeinsame Achse drehenden' Übergangsstücks (22) verbunden sind, und daß sich in den beiden Wellenleiterabschnitten gleichachsig angeordnete Kristalle (10, 11) befinden, deren Länge jeweils gleich der halben Mikrowellenlänge ist und deren optische Achsen senkrecht zu der gemeinsamen Längsachse und senkrecht zueinander verlaufen. ■ -2. Lichtmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einfallende Licht unter 45° gegen die optische Achse der Kristalle linear polarisiert ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen