DE1614329A1 - Digitaler optischer Modulator - Google Patents

Description

Patentanwalt

Anmelder: Philips Pafentverwdtung GmbH.

AkteNa: PHD- 850
Anmeldung von» 24. Februar 1967

Digitaler optischer Modulator

Es iat bekannt, die Fortpflanzungsrichtung eines Lichtatrahls insbesondere eines Laserstrahles digital zu steuern. Der Lichtstrahl wird dabei in eine Richtung eines vorgegebenen Rasters von Richtungen, z.B. mittels einer Kerrzelle und Polariaationaelementen, abgelenkt, wobei das Raster allein von der Geometrie des Systems, d.h. im wesentlichen von den brechenden Winkeln eines Systems von Prismen, abhängt« Ungenauigkeiten dea digitalen -Steuersystems wirken sich nicht in einer Fortpflanzung des Lichtstrahles in eine Zwischenrichtung,sondern nur in einem Rauschlicht aus, das sich längs der anderen Richtungen des Rasters ausbreitet.

In vielen Fällen einer Anwendung eines solchen digitalen Lichtstrahlablenkers ist es notwendig, den Lichtstrahl

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nicht nur in seiner Fortpflanzungsriohtung, eondern auch in seiner Intensität zu verändern. Die Erfindung bezieht eich nun auf eine elektro- oder magnetooptische Modulationsvorrichtung, die die Veränderung der Intensität eines Lichtstrahls in vorherbestimmten festliegenden Stufen gestattet. Da die Ansteuerung der Intensitätsstufen durch ein digitales elektronisches Signal in direkter, einfacher Weise geschehen kann, eignet sich dieser Modulator besonders für eine Kombination mit einem digitalen Lichtstrahlablenker, der ebenfalls in bekannter Technik von digitalen elektronischen Signalen gesteuert wird. Erfindungsgemaß wird die Aufgabe dadurch ge-, löst, daß die Vorrichtung aus mindestens zwei einzelnen Modulatoren unterschiedlichen Aufbaus mit unterschiedlichen elektrischen Betriebsdaten besteht, die nacheinander vom zu modulierenden Licht durchlaufen werden, und jeder einzelne Modulator zwischen zwei Arbeltapunkten schaltbar ist, in denen das elektro- oder magnetooptiscte aktive Material jeweils einer unterschiedlichen elektrischen bzw» magnetischen Feldstärke ausgesetzt ist.

Bei magnetooptischen aktiven Materialien, bei denen sich der funktioneile Zusammenhang zwischen angelegter magnetischer Feldstärke und optischer Wirkung sprunghaft ändert, wie z.B. bei YIGr-Kristalla^ ist die Modulation nach der Erfindung besonders vorteilhaft,'"da ein Arbeltspunkt zwischen den beiden möglichen Extremweften nur schwer oder gar nioht einstellbar ist. Auch eine Graustufen-Einstellung ist hier nur digital möglich.

Ein wichtiger Vorteil der digitalen Modulation ist in vielen Fällen die erhebliche Einsparung an Hochepannungsenergie für die Versorgung der Modulatoren, Der Gewinnfaktor liegt mindestens bei 5, kann aber auch 20 bis. 100 betragen. Das bedeutet, daß auch die Verlustleistung an den Schaltern, seien es nun Halbleiter oder Elektronenröhren, wesentlich geringer ist.

Die Zeichnung stellt AusfUhrungsbeispiele dar, Ea zeigen

Pig» 1 ein Schaltbeiaplel zum Betrieb des Modulators,

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Fig. 2-4 Vorrichtungen mit zwei Teilmodulatoren,

Pig. 5 eine Vorrichtung mit magnetooptiachen Materialien für die Teilmodulatoren,

Pig. 6 und 7 Kraftlinienbilder der Kondensatoren,

Pig. 8 eine Anordnung für eine homogene Polarisation dea aktiven Mediums,

Pig. 9 ein Modulatorayatem mit logarithmiach äquidistanten Stufen.

Ausgangspunkt der Erfindung ist die Tatsache, daß "bei analoger Steuerung der Intensität des Lichtstrahls die Erzielung einer gewünschten Intenaitätsstufe des Lichtstrahls von der Stabilität der Eigenschaften des Steuerelementes in direkter Weise abhängig ist* Wird z.B. die Intensität durch die Höhe einer an einen elektro-optischen Modulator angelegten Spannung bestimmt, etwa durch Verwendung einer Schaltung nach Pig. 1, indem ein vom Strom I durchflossener Widerstand R die Spannung U am Modulator M erzeugt, so hängt die Spannung nicht nur von der Amplitude der an der Basis des den Strom bestimmenden Transistors T liegenden Steuerspannung U_ ab, sondern auch vom Stromverstärkungsfaktor des Transistors. Bekanntlich ist dieser Faktor aber von verschiedenen Störeinflüssen (z.B. Temperaturgang} abhängig. Die vorliegende Erfindung sieht dagegen vor, daß eine Anzahl von elektrooptischen Modulatoren durch eine Anzahl von feet vorge-

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gebenen Spannungen gesteuert werden. Dadurch wird es möglich, anstatt-der oben erwähnten elektronischen Steuerelemente elektronische Schalter zu verwenden, deren spezielle Eigenschaften nur in extremen Grenzfällen, wie z.B. Zerstörung, in die Steuerung der Modulatoren eingehen.

Die technische Realisierung der Erfindung soll an einigen Beispielen erläutert werden. In Fig. 2 ist ein erstes, einfaches Beispiel gezeigt. Als elektro-optische Modu-· lationselemente seien in diesem Fall zwei mit Nitrobenzol gefüllte Kerrzellen M₁ und Mp benutzt. Bekanntlich lautet das Gesetz für den elektro-optisohen Kerreffekt:

Δ = K χ L χ Έ²

wobeiΔ= Gangunterschied zwischen ordentlichem und außerordentlichem Strahl nach Durchgang duroh die Kerrzelle,

K = Kerrkonstante,

L = Länge der Kerrzelle,

E = Vakuumfeldstärke in der Kerrzelle. Der Gangunterschiedjhängt also linear von der länge der Kerrzelle ab. Weeentlioh ist nun, daß sioh die Länge L₁ und L₂ der beiden Kerrzellen voneinander unterscheiden. Der Einfaohheit halber sei zunäohst angenommen, daß L₁ = 2 L₂ gelte, und daß beide Zellen den gleichen

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Elektrodenabstand besitzen. Wie aus der Fig. 2 ersichtlioh ist, kann an jede der Zellen duroh Betätigen der elektronischen Schalter S¹.. oder S". und S'p oder S"₂ die von einer Quelle festgelegte Spannung TJ₀ oder die Spannung 0 gelegt werden. Aufgrund des oben angesehenen Kerr'sehen Gesetzes kann man nun zwischen dem ordentlichen und außerordentlichen Anteil des Lichtstrahles L vier verschiedene Ganguntersohiede erzeugen, nämlich

^₁ = 0, A₂ = K χ L₂ χ E^, A₅ = K χ L₁ χ E₀, A ₄ = K χ (L₁ + L₂) χ Ej-.

Diese vier Gangunterschiede lassen sich leicht in Intensltätaunterachiede verwandeln, wenn man diese Kerrzellenkombination, wie in FIg₀ 2 angedeutet; zwischen lineare · Polariaatoren P₁ und Pp geeigneter Orientierung anordnet.' Es ist nun naheliegend, daß für eine Verfeinerung der IntenaitätsBtufen weitere Kerrzellen zu der beschriebenen Kombination hinzugefügt werden können, wobei die Zellenlangen sich jeweils um den Faktor arwel ändern: L₁ :L₂;L~:... ♦ . Ln = 1 :2:4s #»».. *2⁾¹". . Wie sich der Ge samt -■ bereich der GanguntersohiedBvarlation durch die Gesamtlänge der Kerrzellen, die Kerrkonstante und die angelegte Spannung U₀ bestimmt, 1st.nach dem obigen Gesetz bekannt und braucht daher nicht weiter erläutert zu werden.

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In Variation der in Pig, 2 gezeigten Anordnung kann es zweckmäßig sein, beide Elektroden eines jeden elektrooptischen Modulators wechselweise zwischen dem Potential Null und φ zu schalten, wie beispielsweise in Flg. 3 dargestellt. Eine solche Schaltungsweise kann vor allem dann wünschenswert erscheinen, wenn das elektro-optische Material seine Eigenschaften unter der Einwirkung eines

Feldes mit Vorzugsrichtung verändert, wie z,B, bei Materialien wie KDP und KTN beobachtet worden ist.

In einer weiteren Abwandlung der in Fig. 2 gezeigten Anordnung kann man anstatt der Längen L^ im Falle von Kerrzellen auch die Elektrodenabstände d. von Zelle zu Zelle variieren', so daß bei gleicher Versorgungsspannung U verschiedene Feldstärken wirksam werden. In einer erneuten Abwandlung der Erfindung kann man anstatt der Längen L.. die an die einzelnen Zellen zu legenden Spannungen U von Zelle zu Zelle variieren, wobei natürlich eine entsprechende Zahl von Spannungsquellen vorhanden sein muß, Eine solche in Pig. 4 dargestellte Schaltung wird man vor allem dann benutzen, wenn die Längen der Zellen aus fertigungstechnischen oder geometrischen Gründen nicht verändert werden können. Eine Hybridschaltung aus Zellen mit verschiedenen' Längen und verschiedenen Quellenspannungen ist ebenso möglich,

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Das Prinzip der Erfindung ist nicht auf die Verwendung von elektro-optischen Flüssigkeitskerrzellen beschränkt. In ganz analoger Weise können auch anstelle von .-Flüssigkeiten Festkörper, die den Kerreffekt oder Pockelseffekt zeigen, benutzt werden. Bei elektro-optischen Modulatoren, die den linearen longitudinalen Pookelseffekt zeigen, kann allerdings nur eine Schaltung nach Fig. 4 Verwendung finden, da bei diesen Materialien die Phasenverschiebung Δ unabhängig von der Länge des durchlaufenen Kristalls ist. Magneto-optische Materialien können nach dem Grundgedanken der Erfindung ebenfalls eingesetzt werden. Nur muß die elektronische Schaltung entsprechend der Fig. 5 ausgebildet sein. Anstatt durch Anlegen eines elektrischen Feldes wird die Phasenverschiebung Δ nun durch ein von einer stromdurchflossenen Spule W erzeugten Magnetfeld bewirkt»

In vielen Fällen wird es wichtig sein, daß das zwischen den Elektroden eines elektro-optischen Schalters nach Anlegen der Spannung U "befindliche elektrostatische Feld E homogen ist, da im allgemeinen nur dann auch optische Homogenität gewährleistet ist. Bekanntlich haben aber die elektrostatischen Feldlinien eines Plattenkondensators die Tendenz, am Rande der Elektrodenplatten in den

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Außenraum zu quellen. Den Ausgangspunkt für eine Reduzierung dieser unerwünschten Erscheinung bildet das Brechungsgesetz für die Kraftlinien der elektrischen Erregung eines Dielektrikums (Grimsehl, Lehrbuch der Physik, Band II, S.73). Aufgrund dieses Gfesetzes wird die Polarisation eines Dielektrikums, das sich zwischen den Elektroden eines Plattenkondensators befindet, um so homogener, je kleiner die Dielektrizitätskonstante £ des den Kondensator umgebenden Mediums im Vergleich zur Dielektrizitätskonstante t, des Materials im Kondensator ist« Zur Erläuterung ist in Fig. 6 schematisch das Kraftlinienbild der elektrischen Erregung für einen ebenen Plattenkondensator C für den Fall wiedergegeben, daß dae Kondensatormedium gleich dem der Umgebung ist. Die Fig. zeigt dagegen den Fall, daß die Dielektrizitätskonstante L des Kondensatormediums wesentlich größer als die des Umgebungsmediums ist.

Die Fig. 8 gibt eine schematische Darstellung einer Konstruktion, die unter Ausnutzung des beschriebenen Naturgesetzes für eine homogenere Polarisation des elektrooptisch aktiven Mediums sorgt, indem zwischen je zwei angrenzenden Modulatoren M. sich eine Platte P eines Mediums möglichst niedriger Dielektrizitätskonstante^ befindet. Um Reflexionsverluste des durch die Modulate.r'-r; M^ gehenden Lichtstrahls gering zu halten, soll der ovt.! - ·

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Brechungsindex der Platte P möglichst nahe bei dem des elektro-optisohen Materials liegen. In bekannter Technik können die Platten P natürlich zur weiteren Reflexminderung optisch vergütet sein. Die Pig, 9 zeigt ein Modulatorsystem, mit dessen Hilfe die Intensität eines Liohtstrahls in logarithmisch äquidistanten Stufen verändert werden kann. Die dielektrischen Platten P der Fig. 8 sind in diesem Falle durch Polarisatoren, wie z.B. Nioholsehe Prismen, ersetzt worden. Die Polarisatoren P. haben alle die gleiche Polarisationsriehtung, so daß ohne Aktivierung der Modulatoren der Lichtstrahl das System im wesentlichen ungesohwäoht verläßt. Die Polarisationsriohtung wird zweokmäßlgerweise unter 4-5° zu der Richtung dea elektrischen Feldes in den Modulatoren liegen. Durch die Einfügung eines Polarisators hinter jedem Teilmodulator M. wird erreicht, daß der Polarisationszustand nach Durchlaufen eines Modulators M. keinen Einfluß auf den Polarisationszustand des Lichtes nach Durchlauf des folgenden Modulators M, . hat. Jeder Modulator M. ändert also die Intensität des Lichtstrahls um einen Faktor F^. (0<P^<1). Die Intensität nach Durchlaufen den gesamten Modulators ist dann gegeben duroh den Auedruok:

I = I₀XP₁ XP₂X Ρ,

in I « In I₀ + In F₁ + In

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Ein binäres J3yatem mit logarithmiach äquidistanten Stufen erhält man, wenn man z.B. für die F. folgende Werte festsetzt:

= 0,5, P₂ = O.5², ............F₁ = 0.5¹.

Andere Werte für F. sind natürlich ebenfalls möglich. Die Wahl wird sich im Einzelfall nach den Erforderniaaen des jeweiligen praktischen Anwendungszweckea ergeben.

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Claims (8)

Patentansprüche: ./(A

1. Elektro- oder magnetooptische Modulationsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus mindestens zwei einzelnen Modulatoren unterschiedlichen Aufbaus mit unterschiedlichen elektrischen Betriebsdaten besteht,die nacheinander vom zu modulierenden Licht durchlaufen werden, und jeder einzelne Modulator zwischen Arbeitspunkten schaltbar ist, in denen das elektro- oder magnetooptisch aktive Material jeweils einer unterschiedlichen elektrischen bzw. magnetischen Feldstärke ausgesetzt ist«

2. Vorrichtung nach Anspruch T, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation des Polarisationszustandes in eine Modulation der Intensität des Lichtstrahls durch Hinzufügung eines oder mehrerer Polarisatoren umgewandelt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden unterschiedlichen elektrischen oder magnetischen Feldstärken eines jeden Modulators für alle Modulatoren durch dieselben beiden Versorgungsspannungen oder -Felder erzeugt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Teilmodulatoren unterschiedlich ist.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenabstand der Teilmodulatoren untersohiedlich ist.

6« Vorrichtung nach. Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen zwei aneinandergrenzenden Modulatoren eine Schicht aua einem Material befindet, dessen Dielektrizitätskonstante fc kleiner ist als die Dielektrizitätskonstante £, des aktiven Modulatormaterials, wobei die optisohen Brechungaindizes der beiden Materialien gleiche oder nahezu gleiche Werte besitzen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht der Dielektrizitätskonstante £ ein •linearer Polarisator ist, so daß jeder Teilmodulator die Amplitude bzw« die Intensität des hindurchgehenden Lichtstrahles um einen bestimmten Faktor ändert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen je zwei Teilmodulatoren ein mehrschichtiges Dielektrikum der

Dielektrizitätskonstanten £„ befindet, von dem eine

^ui Teilschicht als linearer Polarisator auegebildet ist.

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9* Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombination der Schaltstellungen der einzelnen Modulatoren den zu modulierenden lichtstrahl so verändert, daß der Logarithmus der Intensitätsstufen de» Lichtstrahls ein "binäres System bildet,

10, Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß daß als magnetooptlach aktive Materialien YIG-Kristalle verwendet sind»

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