DE1639022A1 - Licht-Modulator - Google Patents

Description

Western Electric Company Incorporated R. C. Lecraw

New York, N. Y., 10007 U.S. A.

Licht-Modulator

Die Erfindung bezieht sich auf Modulatoren für elektromagnetische Wellen im Wellenlängenbereich von etwa 1 bis etwa 10 Mikron sowie auf Systeme, in denen solche Modulatoren verwendet werden. Die Modulatoren der Erfindung sind aus eisenhaltigen, magnetisch sättigbaren Granaten aufgebaut.

Das Aufkommen des Laser vor knapp zehn Jahren, der ersten kohärenten Lichtquelle, legte eine Reihe vielversprechender Anwendungsmöglichkeiten nahe. Viele derselben sind bisher in die Tat umgesetzt worden und einige dienen bereits kommerziellen Zwecken^ Hierher gehören im Mikromaßstab ablaufende Fabrikationsmethoden, neue chirurgische Methoden und Raman-Spektroskopie. Einer der wichtigsten Anwendungsfälle, nämlich die Verwendung der Laser in der Nachriehtentechnik, steckt jedoch noch in den Kinderschuhen.

Wegen der viel höher frequenten Natur eines Laser-Strahls ist derselbe ein Träger für viel größere Bandbreiten. Es wurde schon früh erkannt, daß mit der so erhaltenen neuen Bandbreite ohneweiteres der gesamte Nachrichtenverkehr,, einschließlich der Sprach- -und

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Video-Übertragung, beispielsweise der Vereinigten Staaten von Amerika bewältigt werden kann. Hieraus ergab sich aber tinmittelbar die Forderung nach geeigneten Modulations- und Demodulationsmethoden. Die in dieser Richtung gemachten Anstrengungen haben rapid zugenommen. Andere Anwendungsmöglichkeiten für optische Modulatoren sind gleichfalls von Interesse. Als Beispiel hierfür sei die Verwendung in optischen Verzögerungsleitungen genannt, z.B. bei den in 4 Applied Optics 883 (August, 1965) beschriebenen gefalteten Leitungen.

Gegenwärtig gibt es zahlreiche Modulations anordnungen, die bereits demonstriert worden sind und von denen die wichtigeren auf elektrooptischen oder magnetooptischen Wechselwirkungen beruhen.

Lange Zeit schien es, daß der vielversprechendste Modulator eine elektrooptische Wechselwirkung wahrscheinlich in einem ferroelektri« sehen Kristall, der in einem paraelektrisehea Bereich arbeitet, verwenden würde. Ein früheres, für diesen Zweck vorgeschlagenes Material war KDP (Kaliummonophosphat). KDP wurde jedoch in gewisser Hinsicht von anderen Materialien verdrängt, die-eines höheren Modulationsgrad bei kleineren Feldern als die für KDP erforderlichen mehreren Tausend Volt ermöglichen, Eises tier interessantesten dieser neueren Materialien ist KTN (eine feste Lösung von Kaliumtantalat, und Kaliummobat), äms eine quadratische Abhängigkeit der Polarisation von der angelegten Spannung zeigS wnü dsefealfe eine Aus-

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Vorspannung (biasing-out) zuläßt, um dadurch eine Modulation mit vergleichsweise kleinen zusätzlichen Modulations spannungen zu erlauben. KTN ist immer noch ein sehr vielversprechendes Modulationsmaterial, seine kommerzielle Herstellung scheitert aber wegen des Unvermögens, akzeptable Kristalle reproduzierbar züchten zu können.

Magneto-optische Modulatoren haben bisher noch nicht sonderliches Interesse gefunden. Es wurde erkannt, daß eine auf dieser Wechselwirkung beruhende wirksame Modulation ein magnetisch sättigbares Material, entweder ein Ferromagnetikum oder ein Ferrimagnetikum, erfordert. Die Anzahl der verfügbaren Materialien dieser Art, die ausreichende Transparenz für ein Hindurchschicken des zu modulierenden Lichts besitzen, ist beschränkt. Zu den ernsthaft in Erwägung gezogenen Materialien gehört Chromtribromid, das ausreichend unterhalb seines Curie-Punkts von etwa 25 K betrieben werden muß. Dieses Material ist zwar erfolgversprechend, seine Entwicklung ist aber durch die schlechten physikalischen Eigenschaften gehemmt. So kann dieses Material nur äußerst schwierig vernünftig geschliffen und poliert werden. Andere magntisch sättigbare Materialien mit der erforderlichen Transparenz sind teils schwierig herzustellen (z. B. Europiumoxyd), teils haben sie ungünstig tiefe Curie-Temperaturen (z.B. 2°K für Gadoliniumtrichlorid).

Eine der bedeutsameren Entdeckungen auf dem Gebiet der magnetischen

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Materialien war die des f err !magnetischen Yttrium-Eisen-Granats (YIG). Seit einigen Jahren ist es evident, daß dieses kristalline Material eine bemerkenswert engere Resonanzlinienbreite als die Ferrite besitzt und daß es unter anderem aus diesem Grund weit besser für Diskriminationszwecke geeignet ist. Der Umstand, daß dieses kohlenähnliche Material etwas Transparenz am roten Ende des Spektrums zeigt, entging der Aufmerksamkeit nicht, und niederfrequente Licht-™ modulatoren, die solches Licht benutzen, wurden Ende 1950 demonstriert.

Aufgrund neuerer Untersuchungen des sich ins Infrarote erstreckenden Transparenz-"Fensters" in YIG hat dieses Material wieder größeres Interesse erfahren (siehe Applied Physics Letters, Band 7, Seite 27, 1. Juli 1965). Der Umstand, daß einige Laser-Oszillatoren Licht einer Wellenlänge erzeugen, das an diesen Transparenz-Bereich angepaßt ^ ist, hat das Interesse noch weiter vergrößert. Bisher jedoch haben

die Wahl der Wellenlänge, die kristallographische Orientierung, die Zusammensetzung sowie andere Parameter dahingehend zusammengewirkt, daß der Betrieb derartiger Modulatoren auf eine Bandbreite von etwa 5-10 Megaherz beschränkt ist.

Durch die Erfindung wird ein Granat-Lichtmodulator verfügbar gemacht, der die Fähigkeit hat, bei weit größerer Bandbreite betrieben werden zu können. Die Bedingungen, die zu dieser verbesserten Eigenschaft

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führen, sind kritisch. Ähnlich bestimmten anderen Vorrichtungen, die in der Vergangenheit vorgeschlagen wurden, verwenden diese Modulatoren eisenhaltige magnetisch sättigbare Materialien in Granatstruktur. Es ist jedoch erforderlich, daß ein gewisser Teil des tetraedrischen Eisens durch ein nichtmagnetisches Material, vor allem Gallium oder Aluminium, ersetzt wird. Die Wirkung dieser Substitution ist eine Verringerung des Sättigungsmoments, wodurch der zur Er- g

zeugung eines gegebenen Modulationsgrads erforderliche Energiebetrag verringert wird. Eine zweite Forderung betrifft die kristallographische Orientierung. Bei der grundsätzlichen Anordnung verläuft die Lichtübertragung in der [lOO]-Richtung bei einem angelegten magnetischen Gleichfeld in derjenigen Ebene, welche durch die Lichtübertragungsrichtung und eine zu dieser senkrecht orientierten [üDÖ] -Richtung definiert ist. Dieses Gleichfeld ist so angeordnet, daß es eine Komponente in dieser £llO]-Richtung besitzt, und in einem beispielhaften

I Fall verläuft es völlig längs dieser Achse. Eine solche ausgegebene Orientierung ermöglicht eine beträchtliche Zunahme im Frequenzansprechverhalten für eine gegebene Höhe der in der Probe "verheizten" Energie.

Während sämtliche hier beschriebenen Vorrichtungen an den in Rede stehenden Eigenschaften teilhaben, sind gewisse zusätzliche Änderungen möglich. Letztere bilden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Hierher gehören die Verwendung von anstehenden Feldern, die wesent-

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lieh größer als das zur Sättigung des Mediums erforderliche Feld sind, wodurch ein Betrieb bei erhöhter Frequenz ermöglicht wird, sowie verschiedene Anordnungen zusammen mit anderen Elementen derart, daß der Modulator besonders wirksam betrieben werden kann.

Die nachfolgende Beschreibung erfolgt anhand der Zeichnungen; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Licht-Modulators,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Systems, das unter Verwendung der Anordnung nach Fig. 1 aufgebaut ist,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Systems, bei dem ein erfindungsgemäßes, insbesondere für Pulskodemodulation-Betrieb geeignetes Element der Erfindung vorgesehen ist,

" Fig. 4 eine schematische Darstellung eines weiteren derartigen

Systems mit einem magneto-optischen Modulator, das für einen Impulsmodulations- oder Frequenzmodulationsbetrieb ausgelegt· ist und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Systems für einen Zweifachdurchlauf des Lichtstrahls durch den Modulator zur Reduzierung der erforderlichen Modulationsleistung.

Das in Fig. 1 dargestellte Element besteht in der Hauptsache aus einem

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kristallinen Körper 1 aus einem substituierten, eisenhaltigen ferrimagnetisehen Granat. Ein Lichtstrahl 2 wird an der Stirnfläche 3 eingeführt und an der Stirnseite 5 bei 4 ausgekoppelt. Die Kristallorientierung ist so, daß die Lichtübertragung längs einer £l 00]-Kristallrichtung verläuft. Eine zur Übertragungsrichtung senkrechte Richtung, beispielsweise in der Zeichenebene, definiert eine [llO]-Kristallrichtung. Eine (nicht dargestellte) Magneteinrichtung ist zur magnetischen Sättigung des Kristallkörpers 1 vorgesehen. Der einge- ™

zeichnete Pfeil 6 soll zumindest eine Komponente dieses zugeführten Magnetfelds symbolisieren. Eine Modulation wird erreicht durch Einführen einer Magnetfeldkomponente in Lichtübertragungsrichtung. Dies kann beispielsweise bewerkstelligt werden durch Hindurchschicken eines Stroms durch die auf den Körper 1 aufgeschobene Wicklung 7.

Im vorstehenden ist gesagt worden, daß die Kristallorientierung kritisch ist. Die anisotrope Energiefläche im Granat hat einen Sattelpunkt längs der [llÖl»Achse. Dieses anisotrope Feld, das einer Neigung der Magnetisierung in einer Ebene senkrecht zur Papierebene widersteht, bewirkt eine Zunahme der ferromagnetischen Resonanzfrequenz für jedes gegebene anstehende Feld, wodurch ein Betrieb bei erhöhter Frequenz ermöglicht wird. Während eine Neigung in diese Richtung gehindert ist, führt die Existenz der Richtungen leichter Magnetisierbarkeit [113-1 ^m der Papierebene zwischen den orthogonalen Richtungen [.10Oj und |11 Oj zu einer Tendenz der Magnetisierung, sich in Richtung

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der Lichtübertragung zu neigen.

Während des Betriebs ist der kristalline Körper 1 magnetisch gesättigt, beispielsweise durch ein senkrecht verlaufendes Magnetfeld 6. Das zugeführte Feld überschreitet mit Vorteil den für die Sättigung erforderlichen Wert aus noch zu erläuternden Gründen. Unter diesen angenommenen Betriebsbedingungen läuft ein an der Stirnfläche 3 eingeführter eben polarisierter Lichtstrahl 2, dessen Polarisationsebene entweder parallel oder senkrecht zum Feld 6 orientiert ist, durch den Kristall ungeändert hindurch. Ein Hindurchschicken eines Stroms durch die Wicklung 7 bewirkt eine Neigung der Magnetisierung, so daß dieselbe eine Komponente in Lichtübertragungsrichtung besitzt. Die Größe dieser Drehung bestimmt den Grad der Rotation oder der Phasen-Retardation oder der Frequenzänderung, je nach Art des Systems. Unabhängig von der Betriebsart kann der Modulationsgrad durch Verwendung geeignet teilreflektierender Flächen 8 und 9 verstärkt werden. Der resultierende Hohlraum ermöglicht ein Zurückhalten des Lichtstrahls für eine gegebene statistische Anzahl Durchgänge, wobei während jedem Durchgang die Modulation erhöht wird. Da die zur Erhöhung der Modulation in einer gegebenen Kristallänge für einen einzigen Durchgang erforderliche Leistung sich mit dem Quadrat des Modulations grades ändert, ist von diesem Standpunkt aus der Vorteil beachtlich.

Im vorstehenden wurde gesagt, daß der Kristallkörper nicht aus YIG

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sondern aus substituiertem YIG besteht» Die Substitution ist dabei so.," daß einige der tetraedrisch koordinierten Eisenionen durch nicht-magnetische Ionen ersetzt werden. (Die tetraedrisch koordinierten Eisenionen überschreiten im nicht-substituierten Material die Anzahl der oktaedrisch koordinierten Eisenionen und sind deshalb für das Gesamtmoment im Granat verantwortlich.) Beispielhafte Teil-Substituenten sind Gallium und Aluminium., wobei das erster© bevorzugt wird, und ä

zwar insbesondere wegen der höheren Dotier-Niveaus. In jedem Fall beträgt die normale Substitution 0, 3 Atome unmagnetischer Ionen pro Formeleinheit (Y₀Fe-O₁₀). Auf der gleichen Basis beträgt die maximale Substitution durch Gallium und Aluminium 1, 2 bzw. 1, 3 Atome. Ein bevorzugter Bereich reicht von 0_a 8 bis 1,1 Atome entweder des Galliums oder des Aluminiums auf der gleichen Grundlage. Der Wert dieser speziellen Substitutionen beruht auf der sehr starken von diesen Ionen gezeigten Bevorzugung für die tetraedrischen Gitterplätze. Eine Sub- ,

stitution entweder durch Gallium oder durch Aluminium erfolgt praktisch nur an den tetraedrischen Gitterstellen bei dem niedrigeren Substituionsgrad innerhalb des vorgeschriebenen Bereichs. Die tetraedrische Bevorzugung ist jedoch bei Gallium bei höheren Dotier-Niveaus stärker als bei Aluminium, es ergibt sich daher eine Disparität für äquivalente Ergebnisse, die sich auch in den nichtübereinstimmenden Substitutionsbereichsgrenzen äußert. Andere Substdtuenten sind gleichfalls von Interesse. Ein Beispiel hierfür ist Vanadium. Dieses Material I

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und sein zulässiger Substitutionsbereich wird noch erläutert werden.

Eine Substitution der für das Gesamtmoment verantwortlichen Eisenionen durch nicht-magnetische Ionen führt zu einem kleineren Wert des Sättigungsmagnetisierungsmoments 4TM . Dieser Wert beträgt für das unkompensierte Material 1770 Gauss und nur etwa 270 Gauss für die angegebenen bevorzugten Substitutionsbereiche· Für eine Stabkonfiguration von der in Fig. 1 dargestellten Art und für die angegebene Orientierung ist das zur Sättigung erforderliche Normal-Feld annähernd gleich der Hälfte der angegebenen Werte.

Man sieht daher, daß das Sättigungs -Normalfeld durch diese Substitution von 880 Oersted auf etwa 135 Oersted herabgesetzt wird. Da der Modulationsgrad immer von der Größe der magnetischen Komponente in Übertragungsrichtung abhängig ist und da die zur Neigung des Sättigungsfelds erforderliche Energie von der Größe des Sättigungsfelds

abhängt, führt eine Verringerung des erforderlichen Sättigungsfelds

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zu einer Verringerung des modulierenden Stroms.

Die minimale Menge nicht-magnetischer Ionen ist diejenige, welche zur Reduzierung des Sättigungsfelds auf den halben Wert des Sättigungsfelds für das nicht-substituierte Material erforderlich ist. Die angegebenen Maximalwerte sind jene, die zur Reduzierung des anstehenden Normal-Sättigungsfelds aus etwa 60 Oersted erforderlich sind. Es gibt

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zwei grundsätzliche Gründe, die angegebenen Maximalwerte nicht zu überschreiten. Substitutionen dieser Art führen zu einer abnehmenden Curie-Temperatur» Die Curie-Temperatur von unsubstituierten YIG ist 545 K. Bei einer Substitution mit einem Atom Gallium oder mit 1, 1 Alurninium-Atomen wird die Curie-Temperatur auf etwa 420 K herabgesetzt. Für die maximalen Substitutionen liegt dieser Wert etwa bei 330 K. Größere Substitutionen führen zu einer erhöhten Temperaturempfindlichkeit und sind insbesondere für einen Betrieb bei Raumtemperatur unerwünscht. Von diesem Standpunkt aus gesehen könnten für tiefere Betriebstemperaturen höhere Substitutionen zugelassen werden. !Erhöhte Gallium- oder Aluminiumbeträge sind jedoch unerwünscht, da sie zu einer bedeutsamen Reduzierung der spezifischen Drehung (oder Phasenänderung) führen. Die spezifische Drehung, 172° pro Zentimeter im unsubstituierten Material, hängt in der Hauptsache vom oktaedrisch koordinierten Eisen ab und wird folglich nur zu dem Ausmaß reduziert, in welchem die Substitutionsionen das Elisen in diesen Gitterplätzen ersetzen. Die Suhstutution findet bei den niedrigeren Substitutionsgraden weitgehend an den tetraedrischen Gitterplätzen statt, so daß beispielsweise die Drehung auf nur etwa 112 pro Zentimeter für eine Zusammensetzung absinkt, die ein '

Gallium atom enthält. Eine weitere Zugabe von 0, 25 Galliumatomen drückt jedoch diesen Wert auf 40 oder 50 pro Zentimeter herunter, und zwar in der Hauptsache wegen der Verringerung der Curie-Temperatur.

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Während Gallium, und Aluminium als die erfolgversprechendsten ionischen Substituenten befunden wurden, sind auch andere Elemente, die eine starke Bevorzugung für tetraedrisches Eisen zeigen, geeignet. Ein derartiges Element ist Vanadium, das, wie gefunden wurde, in Mengen bis zu 1, 5 Atomen in die angegebene Formel eingebaut werden kann. Selbstverständlich führt eine Verwendung von mehr als einem Atom dieses Elements zu einer Situation, in der das vom oktaedrischen ™ Eisen erzeugte Moment vorherrscht. Während derartig große Substitutionsgrade zu einer etwas verringerten spezifischen Drehung führen können, führen sie nicht zu einer so großen Verringerung der Curie-Temperatur, die dem vorstehend erwähnten ionischen Substituenten zugeordnet ist.

Vorstehend erfolgte die Beschreibung anhand von Yttrium-Cationen, obgleich auch eine bestimmte Substitution auf der Yttrium-Seite im ^ Falle der Verwendung des oben erwähnten fünfwertigen Vanadiums

erforderlich ist. Im allgemeinen ist die sehr große Gruppe der Seltene-Erde-Eisen-Granate für diese Zwecke ungeeignet, da der diesen Cationen (seltene Erden) zugeordnete Dämpfungsmechanismus bedeutsam ist. Lutecium-Eisen-Granat ist jedoch als zu YIG äquivalent bekannt und eignet sich für die Verwendung in den Lichtmodulatoren der Erfindung. Eine vollständige oder teilweise Substitution von Yttrium durch andere Elemente wie Wismut und Kalcium ist zulässig.

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Die Transparenz von YIG und^;die hiermit verwandten oben beschrie« · benen Zusammensetzungen ist allgemein in Applied Physics !tetters, Band 7, Seite 27, oben beschrieben. Die Transparenz reicht von etwa 1, 2 Mikron bis etwa 4 Mikron bei Raumtemperatur. Der Bereich verbreitert sich bei tieferen Temperatüren und erstreckt sich bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs von etwa 1 Mikron bis etwa 10 Mikron. Die Transparenz am hochfrequenten Ende kann verbessert werden durch Minimalisieren des zweiwertigen Eisengehalts, wie dies in Journal of Applied Physics Supplement, März 1966, beschrieben ist. Systeme, in denen die Modulatoren der Erfindung verwendet werden, müssen in dem angegebenen Wellenlängenbereich betrieben werden. Möglicherweise existieren hier einige akzeptable Laser-Oszillatoren. Bei einigen der hier beschriebenen Untersuchungen ist ein Helium-Neon-Laser verwendet worden, der bei 1, 52 Mikron arbeitet. Unter den Festkörper-Laser sind folgende geeignet;

Neodym-YAG (Yttrium-Aluminium-Granat) bei 1, 06 und 1, 34 Mikron *

Thulium-YAG bei 1, 9 Mikron
Holmium-YAG bei etwa 1, 9 Mikron.

Die verbleibenden Figuren zeigen Systeme, die für Nachrichtenübertragungszwecke brauchbar sind, sowie andere optische Systeme, z. B. Speicher unter Verwendung von Verzögerungsleitungen.

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;M^,^ BÄD ORIGINAL

Das System der Fig. 2 ist aus einem Laser 20 aufgebaut; der einen Lichtstrahl 21 erzeugt. Dieser Lichtstrahl läuft durch einen Linear-Polaris ator 22, ein Fokusierglied 23, einem aus substituiertem Eiseiigranat aufgebauten Modulator 24, einen Analysator 25 und schließlich zu einem Detektor in der angegebenen Reihenfolge. Ein Feld 27 mit einer senkrecht zur Lichtübertragungsrichtung orientierten Komponente, die eine [l 1 Ol -Kristallrichtung bei allen Modulatoren der Erfindung

™ definiert, hält den Körper 24 magnetisch gesättigt. Der modulierende

Strönij der durch eine Wicklung 28 eingeführt wird, führt zu einer Drehung der Polarisationsebene des Lichtstrahls in einem Ausmaß, das von der Größe der Magnetisierungskomponente in Übertragungsrichtung abhängt. Gemeinsam mit der anderen Modulationsvorrichtimg hängen die relativen Polarisationsrichtungen der Elemente 22 und 25 von der gewünschten Betriebsweise ab. Sie können gekreuzt sein, so daß bei Abwesenheit eines modulierenden Stroms keine Übertragung

ψ stattfindet, oder sie können parallel sein, uminaximale Übertragung

bei Fehlen eines Modulationsstroms zu ermöglichen. Sie können auch unter einem hier zwischenliegenden Winkel für vorgespannten linearen Dauer strichbetrieb oder für eine bestimmte Digitalbetriebsart angeordnet sein. Hierbei tritt zwar etwas Dämpfung auf, wobei aber eine Drehung von weniger als 90 mit Vorteil ausgenutzt werden kann.

Die Anordnung nach Fig. 3 ist praktisch identisch mit der nach FIg. 2.

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Sie besteht aus einer kohärenten Lichtquelle 30, die einen Lichtstral liefert. Der Lichtstrahl wird durch das Element 32 eben polarisiert, durch das Element 33 fokusiert, innerhalb des Elements 34 moduliert, im Element 35 analysiert und schließlich im Element 36 festgestellt. Eine Modulation erfolgt wiederum durch Einführen eines Stroins in die Wicklung 37. Die kristallographische Orientierung im Element 34 ist wiederum so, daß eine Lichtübertragung längs einer tlOO] -Richtung erfolgt, fernerhin so, daß diese Richtung zusammen mit einer £llO) - \

Richtung eine Ebene definiert, innerhalb der das sättigende Magnetfeld 38 zugeführt wird. In dieser Figur fällt das Feld nicht mit der ti 103-Richtung zusammen. Die dargestellte Anordnung ist dort nützlich, wo der Modulationsgrad, z. B. die Drehung, innerhalb eines kurzen Kristalls möglichst groß gemacht werden soll. Es wurde gesagt, daß die Drehung für die bevorzugte Zusammensetzung etwa 112 pro Zentimeter beträgt. Ausgehend von einem senkrecht zur Übertragungsrichtung orientierten Sättigungsfeld, kann dasselbe relativ leicht in eine Stellung geneigt werden, in der dasselbe mit der ClHl -Achse zusammenfällt, aber nur schwierig in eine Richtung, die die Hauptachse des Kristalls dichter annähert. Der Erhalt einer größeren als etwa 45 -Drehung in einem 1 cm langen Kristall ist für ein normal zugeführtes Feld in einer Laufwellenvorrichtung nicht leicht bewerkstelligbar. Eine Neigung des Felds in der angegebenen Weise in eine Richtung, die diejenige einer [111]-Achse annähert, erleichtert den Erhalt eines größeren maximalen Modulationsgrads. Ein Stromdurch-

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gang durch die Wicklung 37 in einer solchen Richtung, daß eine von links nach rechts gerichtete Feldkomponente erzeugt wird, führt zu einer Neigung des Gesamtfelds aus der angegebenen Stellung über die orthogonale Stellung hinweg und schließlich zu einer Stellung, die einer zweiten [lllj-Achse entspricht. Da das Gesamtfeld nie veranlagt wird, eine sogenannte harte Richtung [100] anzunähern, ist die zum Erhalt des entsprechenden Modulationsgrads erforderliche Energie verringert.

Die Anordnung nach Fig. 4 ist dafür ausgelegt, eine Phasen- oder Frequenzmodulation zu erzeugen. Diese Vorrichtung weist eine kohärente Lichtquelle 40 auf, die einen Lichtstrahl 41 erzeugt. Letzterer wird nach seinem Durchlauf durch ein Viertel-Wellenlängenplättchen aus doppelbrechendem Material zirkularpolarisiert. Nach dem Verlassen des zirkularpolarisierenden Elements 42 läuft der Strahl durch ein Fokusierglied 43 ein Modulations element 44 aus substituiertem Eisengranat und wird schließlich am Detektor 45 aufgefangen. Wiederum ist ein durch den Pfeil 46 angedeutetes sättigendes Feld erforderlich, das aber in jeder Richtung in der beschriebenen Ebene zugeführt werden kann, solange nur eine Normalkomponente vorhanden ist. Stromdurchfluß durch die Wicklung 47 erzeugt lediglich eine Retardation oder Beschleunigung des nunmehr zirkularpolarisierten Strahls, wobei wiederum der Veränderungsgrad von der Größe der Magnetisierungskomponente in Lichtübertragungsrichtung abhängt. Das System ist durch

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einen Analysator 45 vervollständigt, der dafür ausgelegt ist, auf diese. Phasenverschiebung oder die entsprechende Frequenzänderung ansprechen zu können.

Fig. 5 zeigt ein Zwei-Durchgangs system, mit dessen Hilfe ein gegebener Rotationsgrad mit einem Viertel derjenigen Energie erreicht wird, die für ein Einfach-Durchgang-System bei Verwendung eines gleichlangen Modulators erforderlich ist. Das System ist aus einer kohärenten Lichtquelle 50 aufgebaut, der von dieser gelieferte Lichtstrahl 51 läuft durch einen Polarisator 52 und von dort aus in ein Wollaston-Prisma 53. Der Strahl wird in der gezeichneten Weise durch das Prisma abgelenkt und läuft danach durch einen statischen 22, 5 -Rotator 54. Nach dem Verlassen des Rotators 54 passiert der Strahl ein Fokusierglied 55 und tritt in den Modulator 56 ein. Letzterer ist entsprechend den Lehren der Erfindung aufgebaut. Die Zufuhr eines magnetischen Gleichfelds 57 zusammen mit einem modulierenden Feld 58 führt zur Erzeugung eines gegebenen Rotationsgrads über die Länge des kristallinen Körpers 56. Der Modulator ist jedoch mit einer reflektierenden Fläche 59 versehen, so daß der Strahl das Kristallelement 56 nochmals durchquert» Währedn dieser zweiten Durchquerung wird ein gleicher Modulationsgrad zugefügt. Der Strahl 51, nunmehr auf dem Rückweg, läuft wiederum durch das Fokusierglied 55 und durch den 45 -Rotator 54. Beim Eintreffen am Wollaston-Prisma 53 hat der

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Strahl nunmehr eine Gesamt drehung am 90 durch das Element 54 erhalten, so daß der Strahl unter dem Winkel austritt,, der für einen solchen senkrecht polarisierten Strahl charakteristisch ist. Der austretende Strahl wird schließlich vom Analysator 61 festgestellt. Beim Betrieb der dargestellten Anordnung wird maximale Amplitude am Element 61 angezeigt, wenn keine Modulation im Element 56 stattfindet. Jegliche im Modulator 56 eingeführte Drehung verringert den Energiebetrag, der für einen Austritt aus dem Prisma 53 in Richtung auf den Analysator 61 in der richtigen Weise polarisiert ist. Selbstverständlich ist die Anordnung nach Fig, 5, ebenso wie die übrigen dargestellten Anordnungen lediglich illustrativ. Ina einzelnen können Zwei-Durchgang-Modulatoren ein mit einem Gleichfeld vorgespannten Element 56 anstelle des statischen Rotators 54 verwenden. Die Vorspannung kann so gewählt werden, daß im unmodulierten Zustand am Analysator maximale Amplitude vorhanden ist oder minimale Amplitude oder die halbe Amplitude,

Die Anordnungen nach den Fig. 2 bis 5 können auch anderweitig modi-' fiziert werden. Während die vorstehende Beschreibung weitgehend anhand von Laufwellen erfolgt ist, können die Stirnseiten der Granat-Modulatoren partiell reflektierend wie in Fig. 1 ausgebildet sein, wodurch ein Fabry-Perot-Resonator entsteht. Auf diese Weise kann der erhältliche Modulationsgrad neben gegebenen Modulations strom erhöht werden.

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Die Modulatoren der beschriebenen Art sind unter Erhalt der erwarteten Resultate betrieben worden. Bei Verwendung der bevorzugten gaHimndotierten Zusammensetzung bei einem angelegten Feld von 232 Oersted wurde eine Dauerstrichmodulationstiefe von 20 % bei einer Bandbreite von 200 Megaherz im Rahmen eines einzigen Durchlaufs durch einen 1 cm langen Kristall bei Raumtemperatur erhalten. Die hierfür erforderliche Modulationsenergie war 86 Milliwatt. Die Verwendung eines Felds von 460 Oersted bei der gleichen Anordnung erlaubte einen Betrieb mit einer Bandbreite von annähernd 500 Megaherz für eine Modulationsenergie von etwa "350 Milliwatt in der Laufwellenvorrichtung.

Zahlreiche weitere Abwandlungen sind möglich. So sind beispielsweise die beispielhaften Systeme weitgehend anhand der Nachrichtenübertragung beschrieben worden. Es sind aber auch andere Systemenwendungsfälle gegeben, in denen die Modulatoren der Erfindung mit Vorteil . j

Verwendung finden können. Einer dieser Anwendungsfälle ist im Zusammenhang mit einer gefalteten optischen Verzögerungsleitung erwähnt worden und wird als von besonderem Interesse betrachtet. Für diesen Anwendungsfall kann der verschiedentlich im Zusammenhang mit den Figuren erwähnte Analysator entfallen, wobei dann die Elemente, beispielsweise 35 und 45 als solche gefaltete optische Verzögerungsleitungen darstellend betrachtet werden können.

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Das Wesen der Erfindung liegt jedenfalls in jeglichem Modulator oder jeglichem System, dessen Betrieb auf der Verwendung eines substituierten eisenhaltigen Granats der angegebenen Zusammensetzung und Kristallorientierung beruht.

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Claims (1)

1. if

   Patentansprüche

   I ΐΓ) Magneto-optischer Lichtmodulator, der aus einem einkristallinen, eisenhaltigen, ferrimagnetischen Granatkörper aufgebaut ist, wobei durch denselben kohärente elektromagnetische Strahlung hindurchgeschickt wird, der Granatkörper einem Magnetfeld einer zumindest für seine Sättigung ausreichenden Größe ausgesetzt ist und das Magnetfeld Λ

   eine orthogonal zur Strahlungslaufrichtung orientierte Komponente besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß das Sättigungsmoment der Granatzusammensetzung durch eine Substitution mit zumindest 0,3 Ionen eines nichtmagnetischen Elements pro fünf Eisenatome reduziert ist, daß die Strahlung den Granatkörper in einer Richtung durchläuft, die im wesentlichen einer Cl00]-Richtung entspricht, daß die Richtung der Orthogonalkomponente des Magnetfelds im wesentlichen einer [lld]«» Richtung entspricht und daß das Feld im wesentlichen in derjenigen Ebene liegt, welche durch diese D-OQ]- und £110]-Richtungen definiert ist.

   2, Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als das nichtmagnetische Ion zumindest ein Ion der Gruppe Gallium und Aluminium vorgesehen ist und daß der maximale Substitutionsgrad mit dem nichtmagnetischen Ion 1, 2 Galliumionen und 1, 3 Aluminiumionen beträgt.

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   3. Modulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Substitutionsgrad mit dem nichtmagnetischen Ion zwischen 0, 8 und 1,1 Ionen liegt.

   4. Modulator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Neigen des zugeführten sättigenden Felds zur Erzeugung einer Magnetisierungsänderung in StrahldurcMaufrieiitung vorgesehen ist.

   5. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Fläche des Granatkörpers, gesehen in Strahlungslaufrichtungj zumindest teilweise reflektierend ausgebildet ist*

   6. Modulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß beide die Strahlungslaufrichtung definierenden Flächen des Granatkörpers teilweise reflektierend sind.

   7. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Wellenlängenbereich für die kohärente elektromagnetische Strahlung der Bereich von 1 bis 10 Mikron vorgesehen ist»

   8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die kohärente Strahlung eben polarisiert ist.

   9. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn-

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   zeichnet, daß die kohärente Strahlung zirkularpolarisiert ist.

   10. Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Detektor zum Feststellen der Polarisation der austretenden Strahlung vorgesehen ist,

   11. Modulator nach Anspruch 1 Oj dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor ein eben polarisierendes Glied als Polarisator enthält.

   12. Modulator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einführen eines polarisierten kohärenten Lichtstrahls im Wellenlängenbereich zwischen 1 und 4, 2 Mikron, durch Einführen einer Magnetisierungskomponente in den Granatkörper in Strahllaufrichtung und durch Analysatormittel für den austretenden Strahl.

   13. Modulator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl eben polarisiert ist und daß die Polarisator einrichtung ein polarisierendes Medium enthält.

   14. Modulator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das polarisierende Medium ein ebener Polarisator ist, der unter 45 zur Polarisationsebene des anfänglich eingeführten polarisierten Strahls orientiert ist.

   15. Modulator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das

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   polarisierende Medium ein ebener Polarisator ist, der unter 90 zur Polarisationsebene des anfänglich eingeführten polarisierten Strahls orientiert ist.

   16. Modulator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl zirkularpolarisiert ist und daß die Analysatoreinrichtung phasenempfindlich ausgebildet ist.

   17. Modulator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl zirkularpolarisiert ist und daß die Analysatoreinrichtung frequenzempfindlich ist.

   18. Modulator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das sättigende Feld zur Strahllaufrichtung nicht senkrecht orientiert ist und daß Mittel zum Einführen eines Modulationsstroms vorgesehen sind, der ausreicht, das sättigende Feld durch die senkrechte Lage hindurch und über dieselbe hinaus zu schwenken.

   19. Modulator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Granatkörper an der hinter der Strahleintrittsfläche im Strahlengang gelegenen Fläche reflektierend ausgebildet ist und daß der den Modulator verlassende Strahl mit Hilfe eines Wollaston-Prismas vom Eingangsstrahl abgezweigt wird.

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   OFtIGlHAL