DE1639045A1

DE1639045A1 - Optischer Modulator

Info

Publication number: DE1639045A1
Application number: DE19671639045
Authority: DE
Inventors: Ohm Edward Allen
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1966-08-29
Filing date: 1967-08-24
Publication date: 1970-06-25
Also published as: GB1173673A; BE703171A; NL6710482A; US3454325A

Description

WESTERN ELECTRIC COMPANY Incorporated E. A. Ohm

New York, N.J., 10007, USA

Optischer Modulator

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Modulator

und insbesondere auf elektro-optische Modulatoren für in ■ Λ

solchen Frequenzbereichen einschl. des Grundbands liegenden Wellen. Die Verwendung von elektr ο-optischem Material, wie z.B. Kaliummonophosphat (KH₀PO.), um optische Wellen zu modulieren, ist bekannt. Im allgemeinen werden die Änderungen des Brechungsindex, der durch die Änderung der Größe eines elektrischen Feldes erzeugt wird, das an das Element durch das das zu modulierende Licht hindurchgeht, angelegt ist, dazu benutzt, Änderungen in der Amplitude, Frequenz oder Phase des Übermitteiden Lichts zu erzeugen.

Eine zusätzliche Eigenschaft des Kaliummonophosphat-Elektrooptischen Elements besteht in ihrer piezoelektrischen Natur, die Resonanzen bei Frequenzen im Bereich von 10 - 100 kHz erzeugt. Das Vorhandensein dieser unerwünschten Resonanz

009826/0674

mächte es schwierig, wenn nicht zuweilen unmöglich, eine gleichförmige Modulation über eine weite Grundbandbreite zu erzielen.

Die vorliegende Erfindung beabsichtigt daher die unerwünschten piezoelektrischen Resonanzen in optischen Kaliummonophosphat-Modulatoren zu verringern.

Ein weiterer unerwünschter Aspekt von elektro-optischen Modulatoren besteht in den Reflexionen und in der Streuung von einfallenden optischen Wellen von der Oberfläche des Festkörperelements des modulierenden Materials. Es wurde gefunden, daß es sehr schwierig ist, den Betrag dieser Reflexion unter ein unerwünscht hohes Niveau zu verringern, wenn das Element in ein Gasmedium getaucht ist. Die vorliegende Erfindung verringert diese unerwünschte WfellenrefLexion und Wellenstreuung.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein elektrooptische s Element mechanisch in einer zweiseitigen Kompressionsanordnung festgeklemmt, um niedrige Frequenzresonanzen zu vermeiden. Das Element ist weiterhin in ein viskoses Medium (Flüssigkeit) mit einer dielektrischen Konstante eingetaucht, die gleich der dielektrischen Konstante des Elements

ist. Dieses Eintauchen dämpft nicht nur vollständig die höheren frequenten Resonanzen in Quer- und Längsrichtung in Bezug auf das Element, sonder gewährleistet auch reflexions freie Übergänge zwischen dem elektro-optischen Material und seinem umgebenden Medium. Diese Doppelfunktion des umgebenden Mediums ist ein wichtiger Aspekt der Erfindung,

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hat ein rechteckförmiges elektro-optisches Element in einer Ebene eine wesentlich größere Abmessung als die Wechselwirkung sz one für das einfallende Licht und die außenliegenden Seitenteile des Elements sind mechanisch mit Hilfe von Bleistreifen eingespannt. Das Element ist an Teilen von allen sechs freien Oberflächen von einem viskosen Fluidum umgeben, das eine dielektrische Konstante aufweist, die praktisch gleich der dielektrischen Konstante des Elements selbst ist. Dieses Fluidum erlaubt den einfallenden optischen Wellen ohne nennenswerte Reflexion und Streuung in das modulierende Element einzutreten %

und dämpft,die hohen Frequenzresonanzen des mechanisch verklemmten elektro-optischen Elements.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden. In den Zeichnungen zeigen:

009826/0674

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Innengrundbandmodulators gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Querschnittansicht eines Modulationselements der in einem Modulator nach Fig. Verwendung findet·

Fig. 3 einen Längsquerschnitt des Modulations elements nach Fig. 2.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Inneng rundbandmodulator 10, der einen optischen Hohlraum umfaßt, der durch die Spiegel 11, 12 gebildet wird, und die eben, gebogen oder aber in Kombination eben und gebogen, wie dargestellt, sein können. Jeder dieser Spiegel 11, 12 umfaßt ein Rücklageteil 13 bzw. 14, das ein Dielektrikum wie Quarz, urfassen kann, das eine reflektierende Fläche 15 bzw. 16 trägt, die aus Viertelwellenlängen-Blättchen abwechselnd hoher und niedriger Dielektrizitätskonstante aufgebaut sind. Eine ausführliche Beschreifcrung eines solchen Spiegels ist in dem Artikel von D. L. Perry, "Low-Loss Multilayer Dielectric Mirrors" gegeben, veröffentlicht im August 1965 in Applied Optics. Zwischengeschaltet in den optischen Hohlraum "zwischen die Spiegel 11,12 sind ein Laser 17 und ein Modulator 18, bei dem der Spiegel 11 ein Endteil bildet.

09826/067/;

Das aktive Medium des Lasers 17 kann ein Festkörper oder ein Gas sein, das sich für die Erzeugung von kohärenter optischer Wellen eignet. Für die Erläuterung soll das aktive Medium eine Gasmischung, z.B. eine Helium- und Neon-Mischung innerhalb eines Rohrs sein. Um die Reflexionen auf ein Minimum herab zudrücken und den Laser stark zu polarisieren, sind die Rohrstumpfflächen mit dem Brewster' sehen Winkel in Bezug auf die Hohlraumachse 19 abgeschrägt. Eine nicht in den Zeichnungen dargestellte Quelle ist mit der Laserröhre verbunden, um die Energie zuzuführen, die notwendig ist, eine Besetzungsumkehr in dem Medium zu erzeugen und zu erhalten. Es versteht sich, daß das aktive Medium auch andere Materialien als die genannte Gasmischung umfassen kann. Im Hinblick auf eine ausführliche Erläuterung der Laser wird auf den Artikel von A. Yariv und J. P. Gordon, .mit dem Titel "The Laser", verwiesen, der im Januar 1963 in "Proceedings of the Institute of Radio Engineers" veröffentlicht wurde.

Der ebenfalls in dem Hohlraum angeotdnete Modulator 18 um- · faßt ein elektro-optisches Material 20, das einen Brechungsindex aufweist, der über einen gegebenen Bereich steuerbar ist durch Anlagen eines elektrischen Felds senkrecht zur Richtung der Fortpflanzung der zu modulierenden Lichtquellen.

009826/0674

Typische elektro-optische Materialien die als optische Wellenmodulatoren brauchbar sind, umfassen Ammoniummonophosphat (NH_Q.H_OPO.) und Kaliummonophosphat. An dem Ende des Modulators 18 gegenüber vom Spiegel 11 ist ein durchlässiges Dämpfungsarmes Fenster 21 vorgesehen, auf dem eine Antireflexionsschicht 22 aufgebracht ist.

Wie bereits erwähnt, werden elektro-optische Materialien mechanischen Resonanzschwingungen unterworfen, wenn sie modulierenden Feldern bei Frequenzen zwischen 10 und 100 kHz ausgesetzt werden. Diese Resonanzen machen eine breite Grundbandmodulation in Kaliunamonophosphat und anderen gleichartigen optischen Modulatoren im wesentlichen unmöglich. Wie schematisch in Fig. 1 dargestellt ist, ist das Grundbandfrequenz-Resonanzphänomen gemäß der Erfindung dadurch ausgeschaltet, daß mechanische Feststellkräfte F dem Modulatorelement zugeführt werden. Wie zu sehen sein wird, ist das modulierende Element selbst, vormals nur etwas größer als das tatsächliche Volumen des zu modulierenden optischen Bündelsdurchdeutet, in Querrichtung vergrößert, um Seitenteile zu bilden, die mechanisch zusammengeklemmt werden können. Die Wirkung dieses Klemmens besteht in der Erhöhung der Steifigkeit des modulierenden Elements durch einen

009826/0674

4 6

Faktor von 10 bis 10 . Da die Resonanzfrequenzen von der Quadratwurzel der Elementsteiögkeit abhängen, werden die Resonanzfrequenzen in einen Bereich von 1 bis 10 Megahertz verlegt. Diese höheren Resonanzfrequenzen werden dann im wesentlichen durch das ViskosefLuidum 23 abgedämpft, das das Element 20 umgibt.

Die Gegenwart des Fluidums 23, das typischerweise aus

einem Öl besteht, z.B. aus einem Silikonöl mit einer M

Dielektrizitätskonstanten die nahezu gleich der von Kaliummonophosphat ist, dient nicht nur dem Abdämpfen der resultierenden Resonanzschwingungen, sondern auch der Verringerung des Energieverlustes durch Streuung an den Endflächen 24, 25 des Elements 20. Es wurde gefunden, daß die physikalischen Eigenschaften eines typisch elektro-optischen Materials so sind, daß die beste Polierungsmethode eine Fläche erzeugen, die für optische Wellenlängen vergleichsweise raub ist. Durch das Eintauchen des Elements in ein Medium mit angepaßter Dielektrizitätskonstante werden daher die Oberflächenunebenheiten des Elements für die durchlau-

fenden Wellen "unsichtbar" gemacht. Die Fenster 11, 21, die ein dielektrisches Material umfassen und Oberflächenschichten von besser polierbarem Material, verursachen vernachlässigbare Streuungverluste. Wenn es erwünscht ist, kann eine Aus-

009826/0674

richtung dieser Fenster mit dem Brewster-Winkel vorgenommen werden.

Eine Ausführungsform mit zusammenwirkenden Klemm- und Dämpfungswirkungen ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt.

Fig. 2 zeigt im Querschnitt ein Modulatorelement, das aufgebaut und getestet wurde, wobei stabile, j$ etwa zylindrische Halbschalen 31, 32 durch Distanzstücke 33, 34 in Abstand voneinander gehalten werden. Beide Teile 31, 32 und die Distanzstücke 33, 34 bestehen aus Material eines Temperaturkoeffizienten entsprechend dem des elektro-optischen Materials. Ein solches typisches Material ist Aluminium. Die Teile 31 und 32 sind für Mittel zum Zusammendrücken wie Schrauben 35, 36 eingerichtet, die durch Öffnungen in den Distanzstücken gehen. Entsprechende Zusammendrückeinrichtungen sind an dein gegenüberliegenden Ende des Modulationselements vorgesehen.

Jede der zylindrischen Halbschalen 31, 32 besitzt einen hylbzylindrischen Hohlraum 37, 38, der sich längs des Mittelteils erstreckt. Innerhalb dieses Hohlraums mit einer Erstreckung quer zu den Klemmhalbschalen 31, 32 und größer

009826/0674

.frais das Querausmaß der Höhlung,ist ein elektro-optisches Modulationselement 39 angeordnet. Die Höhe des Elements 39 ist so ausgewählt, daß sie geringer als die Höhe der Distanzstücke 33, 34 ist und die Breite ist geringer als der Querabstand zwischen den Distanzstücken. Dünne unmittelbar festhaltende Bänder 40, 41 aus deformierbarem Material sind zwischen

Φ
der Oberfläche des Elements 39 unjder Unterfläche des

Teils 32 angeordnet. Es wurde gefunden, daß Blei ein sehr

vorteilhaftes Material für diese KLemmbänder ist. Die Dicke ' ™

dieser Bänder ist ein wichtiger Parameter. Günstigerweise wird die Summe von der Dicke des Elements 39 und der Bänder 40, 41 so gewählt, daß sie 0, 013 mm (0, 5 mils) mehr als die Dicke der Distanzstücke 33, 34 beträgt. Ist der Modulator zusammengesetzt, werden die Schrauben 35, 36 angezogen bis das Blei "stramm festgeklemmt" ist. Ein genügender Druck wird von den Scnrauben 35, 36 zu den Distanzstücken

/2 *

33, 34 zugeführt, wenn die Fließgrenze von etwa 56 kg/cm Λ

(800 pounds per square inch) der Bleibänder 40, 41 überschritten wird.

In Längsrichtung des Elements 39 erstrecken sich gegenüberliegend angeordnete, zentrale Elektroden 42, 43, die zweckmäßig aus einem Metall wie Gold aufgebaut sind und durch die

009826/0674

JlO

das Modulationsfeld zu dem aktiven Element zugeführt wird. Die Anschlüsse zu den Elektroden 42, 43 sind nicht gezeigt, aber werden entsprechend allgemein üblicher Methoden vorgesehen.

Das Element 39 umgibt oben, unten, an den Seiten und den Enden eine Viskose-Dämpfungs- und Anpaßflüssigkeit 44. Nach dem die Anordnung mechanisch zusammengesetzt worden ist, kann die Flüssigkeit 44 in die Kammer, um das Element 39 zu umgeben, durch einen vorgebohrten Kanal 47 in einem der Halbschalenteile 31, 32 zugeführt werden. Vorteilhafterweise ist ein zweiter Kanal 48, ein Entlüftungskanal, vorgesehen, um zu erlauben, daß die sich in der Kammer befindenden £}ase austreten können und von der eintretenden Flüssigkeit verdrängt werden können.

In Fig. 3 ist das elektro-optische Element 39 mit den Elektroden 42, 43 zwischen den Aluminiumklemm-Halbschalen 31, 32 innerhalb der Höhlung 37, 38 dargestellt. Die Klemmhalbschalen werden durch die Distanzstücke 33, 34, die in Fig. 3 nicht zu sehen sind, voneinander im Abstand und in ihrer Lage durch die Schrauben 35, 36 gehalten. Zwischen dem Element 39 und der oberen Halbschale 32 ist ein Bleiband 40 angeordnet. Die Hohlräume 37, 38 enthalten eine Viskose-

009826/0674

dämpfungsflüssigkeit 44 und wie in dem Längsschnitt zu sehen ist, fällt die Flüssigkeit den Raum zwischen den Enden des Elements 39 und dem Endspiegel 45 und dem transparenten Endteil 46 aus. Somit ist das Element 39 an Teilen von allen sechs Seiten von der Dämpfungsflüssigkeit "umgeben. Obgleich die Elektroden in Fig. 3 mit einer Längsausdehnung dargestellt sind, die kleiner als das Modulationselement ist, können .diese Elektroden ebensogut bis zu den Enden des Elements verlaufen.

In einer zweckmäßigen Betriebsanordnung ist der Modulator nach den Fig. 2 und 3 als day eine Endteil eines optischen-Resonators vorgesehen, der seinerseits einen zusätzlichen Spiegel gegenüber dem Spiegel 45 aufweist und der auf der Achse der Energiefortpflanzung von einem Laser angeordnet ist, der zwischen den Spiegeln auf der Resonatorachse angeordnet ist. Das Anlegen eines elektrischen Wechselfelds bei Grundbandfrequenzen an das elektro-optische Element bewirkt eine Veränderung des Brechungsindex des Elements ^ und erzeugt eine Frequenzmodulation des durchlaufenden Laserstrahls. Das mechanisch festgeklemmte Element, nicht mehr resonant bei den zugeführten Grundbandfrequwnzen, hat zwar immer noch Quer- oder Längsresonanzen bei den Amplitudenänderungen aber bei viel höheren Frequenzen. Diese Frequenzen werden jedoch wirksam durch die Viskosität

0Q9826/0674

der umgebenden Flüssigkeit gedämpft. Zusätzlich durchquert der Laserstrahl die Grenzfläche zwischen dem elektro-optischen Element und der Flüssigkeit ohne Streuverluste, da die Dielektrizitätskonstanten der aneinandergrenzenden Medien gleich sind. In solcher Weise ist eine elektro-optische Modulation von optischen Wellen über breite Grundbandfrequenzen durchführbar.

In einem in Betrieb genommenen Modulator, der gemäß der beschriebenen Ausführungsform aufgebaut war, wurde als Modulationselement Kaliummonophosphat in einer Länge von 25,4 mm, einer Breite von 17 mm (0, 6 ") und einer Dicke von 1, 7 mm (0, 06") benutzt. Dieses Element war innerhalb von Aluminiumhalbzylindern angeordnet, die einen Außenradius von etwa 28, 6 cm (1,125 ") und einen inneren Hohlraumradius von ca. 2, 7 mm (0,16") besassen. Die beiden Halbzylinder waren durch Aluminiumdistanzstücke voneinander getrennt, die eine Dicke von 1, 854 mm (0, 073") hatten und die Bleibänder waren vor der Zusammendrückung 3,43 (0, 135") dick. Goldelektroden von 1, 7 mm (0, 06") wurden auf die Kaliummonophosphatoberfläche aufgebracht und erstreckten sich von einem Ende des Elements zum anderen. Als Angleichflüssigkeit wurde ein Öl benutzt, das halogenisierte aromatische

009826/0674

BAD ORIGINAL

und aliphatische Verbindungen enthielt und von der Firma "Cargille Laboratories, Cedar Grove, New Jersey; unter der Bezeichnung "Code 5042" geliefert wird.

Es versteht sich, daß mit der Beschreibung einer reflektierenden Fläche als das Ende des Modulationselementgehäuses damit keine Beschränkung beabsichtigt ist. Beide Endplatten können transparent sein und die Einheit selbst kann in einem optischen Resonator angeordnet sein, der von einem Paar außenliegender Spiegel gebildet wird. Jedoch sind bei einer solchen Anordnung größere Verluste in Kauf zu nehmen.

009826/0674

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Optischer Modulator mit einer Quelle für optische Wellen, einer Quelle für ein in einem breiten Grundbandfrequenzbereich auftretendes modulierendes Signal und einem Element atis elektro-optischem Material, das innerhalb des Frequenzbereichs charakteristische Resonanzen zeigt und dem die optischen Wellen und das modulierende Signal zugeführt werden, gekennzeichnet durch eine Festklemmeinrichtung (31-36, 40, 41) für ein mechanisches Festklemmen des Elements, die die Steifigkeit desselben erhöht und dessen Resonanzfrequenzen in oberhalb des Modulationsfrequenz- _e bereichs liegende Bereiche verlegt, und durch Dämpfungsmittel (44) zum Dämpfen der nach oben verlegten Resonanzfrequenzen.

2. Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Festklemmeinrichtung die Zuführung von Zusammendrückkräften für ein deformierbares Material erlaubt, das eine

2
Fließgrenze bei etwa 56 kg/cm (800 pounds per square inch) besitzt.

3. Modulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektro-optische Element mittels Blei zu-

0098 26/067

2 sammengedrückt wird, das eine Fließgrenze von 56 kg/cm (800 pounds per square inch) aufweist.

4. Modulator nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch

gekennzeichnet, daß die Dämpfungsmittel Viskoseflüssigkeit umfassen, deren Dielektrizizätskonstante praktisch gleich der des Elements ist.

009826/0674

Leerseite