DE2030302A1 - Optischer Verschluß aus polykristalliner ferroelektnscher Feinkronkeramik - Google Patents
Optischer Verschluß aus polykristalliner ferroelektnscher FeinkronkeramikInfo
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Description
203030?
Western Electric Company Incorporated Maldonado-Meitzler 1-11
New York, N, Y. 10007 V. St. A.
Optischer Verschluß aus polykristalliner ferroelektrischer
Feinkornkeramik
Die Erfindung betrifft Licht gatter-Einrichtungen.
In der bisherigen Technik der optischen Nachrichtenübertragüngssysteme
wurden zahlreiche Arten von optischen Verschlüssen ("Lichtgatter11) benutzt.
Die Verwendung von ferroelektriischen Materialien im optischen Verschluß ergibt die Möglichkeit eines optischen Verschlusses mit einem
Gedächtnis ("Stromstoßrelais Lichtgatter" oder "Schalter1').
Es sei z. B. angenommen, daß ein Lichtstrahl, der sich in der kartesischen
ζ-Richtung fortpflanzt, unter einem Winkel von 45 zur x-Achse
mit Hilfe eines Polarisators linear polarisiert ist, und daß dieser polarisierte
Strahl auf eine ferroelektrische Platte auftrifft, deren elektrisches Dipolmoment "permanent" (remanent) in der y-Richtung polarisiert ist. Wenn man annimmt, daß die Dicke der Platte derart ist, daß
die Verzögerung, die dem Wert der remanenten Polarisation der Platte entspricht, eine gerade Anzahl von halben Wellenlängen beträgt, dann
ist der emittierte Lichtstrahl entlang der x-Achse immer noch linear
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polarisiert. Damit löscht ein Analysator, der zum Polarisator unter 90
("gekreuzt") eingestellt ist, den Lichtstrahl. Man sagt, daß sich das'
System im Zustand "Aus" befindet. Wenn nun das Ferroelektrikum z. B:
durch einen zugeführten Spannungsimpuls in einen anderen Polaris ätionszustand
umgeschaltet werden kann, der für den einfallenden Lichtstrahl
eine andere Doppelbrechung darstellt, dann löscht der Analysator den
κ Lichtstrahl nicht mehr. Man sagt, daß sich dann das System im Zustand
"Ein" befindet. Somit ergibt das System einen einfachen optischen Verschluß mit einem Gedächtnis,
Jedoch könen gewöhnliche ferroelektrische Kristalle mit einem einfachen
Spannungsimpuls nur von einem ersten Zustand der permanenten Polarisation
in der einen Richtung in einen zweiten Zustand der permanenten
Polarisation in der entgegengesetzten Richtung umgeschaltet werden.
Da diese beiden Zustände der permanenten Polarisation für den Licht-
ψ strahl dieselbe Doppelbrechung darstellen, können derartige Kristalle
in dem oben beschriebenen einfachen optischen Verschlußsystein nicht
verwendet werden, wenn nicht eine ziemlich komplizierte und sorgfältig
gesteuerte Vielfachfolge von Spannungsimpulsen an den ferro elektrischen
Kristall angelegt wird. Eine derartige Folge von Spannungsimpulsen erfordert
eine ziemlich komplizierte und aufwendige Steuerschaltung.
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C. E. Land hat entdeckt, daß sich eine dünne Platte aus Bleizirconat-Bleititanat
Keramik wie ein einaxialer Kristall verhält, wenn sie in
einer bestimmten Richtung gepolt wird. Es wurde festgestellt, daß sich
die Doppelbrechung der Platte ungefähr mit dem Quadrat der remanenten
Polarisation ändert. Wenn daher die Polarisation zwischen Null und der
Sättigung geändert werden kann, kann eine maximale Änderung der
Doppelbrechung und damit der optischen Phasenverzögerung erzielt werden. Diese Änderung kann man mit Einkristallmaterialien, wie oben
erwähnt, nicht leicht erzielen.
Erfindungsgemäß wurde festgestellt, daß die Umschalteigenschaften
von ferro elektrischen Feinkornkeramiken (d. h. mit einer Korngröße
von etwa 2 Mikrometer oder weniger) sich wesentlich von den Umschalteigenschaften von ferroelektrischen Einkristallen unterscheiden (z.B.
Bariumtitanat, Triglycinsulphat) und daß die remanente Polarisation
einer Feinkornkeramikplatte von einem ersten Zustand der remanenten
Polarisation in einen zweiten Zustand mit einer anderen remanenten
Polarisation (einschließlich einer mittleren Polarisation Null) umgeschaltet werden kann, indem einfach ein Spannungsimpuls von gesteuerter
Größe angelegt wird. Überdies hängt der Wert der remanenten Polarisation, der in der ferroelektrischen Peinkornkeramik nach einem
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angelegten Spannungsimpuls zurückbleibt« nur von der Höhe des Impulses und nicht von der Breite des Impulses ab, solang diese Breite
einen gewissen Wert typischerweise 1 Millisekunde überschreitet. Da der erste und der zweite Zwischenzustand der ferroelektrischen Feinkornkeramik verschiedene Grade der Doppelbrechung für einen ein«
fallenden Lichtstrahl, der sich in der ζ-Richtung fortpflanzt, darstellen
|. kann ein einfacher Lichtschalter des Stromstoßreleistyps mit dieser
Art von Keramik zusammen mit "gekreuzten"1 Polarisatoren und Analysator
en hergestellt werden. Ebenso kann aus diesen Teilen eine veränderliche
Phasenverzögerungseinrichtung aufgebaut werden, vorausgesetzt, daß die Polarisation durch geeignete elektrische Felder bei
veränderlichen Zwischenpolarisationszuständen erzeugt wird.
Bei einer bestimmten Anordnung der Erfindung wird eine ferroelektrisch«
Feinkornkeramikplatte gewählt, die aus 65Gew.% Bleizirconat ^ und 35 Gew.% Bleititanat mit zwei Atomprozent Lanthan besteht, das
als Lanthanoxyd zugesetzt ist (PZT 65/35-2% La). Nach geeigneter
Vorbereitung, die das Vorpolen des Kristalls, wie es eingehend unten
beschrieben wird, einschließt, werden auf einer großen Oberfläche
der Keramik metallische Elektroden aus Indium aufgebracht. Die Keramik
wird zwischen einem gekreuzten Polarisator-Analysatorpaar ange-
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ordnet. Auf den Polarisator fällt ein Lichtstrahl, der durch die Keramikplatte und den Analysator übertragen wird. Vorteilhafterweise ;
werden die Dicke der Keramik und deren Orientierung so gewählt, daß die optische Wegdifferenz zwischen dem ordentlichen und dem
außerordentlichen Strahl (bei gleicher Intensität), die sich durch die
Keramik fortpflanzen, eine ganze Zahl von Wellenlängen beträgt« nach·
dem ein ausreichend langer und starker Spannungeimpuls, der an die
Elektrode angelegt wird, die ferroelektrische Feinkornkeramik in
einen Zustand maximaler (gesättigter) remanenter Polarisation ge· :
bracht hat. Nunmehr löscht der Analysator den Lichtstrahl, man sagt also, das System befindet sich im Zustand "Aus". Zu einer vorgewählten Zeit wird ein anderer Spannungsimpuls von geeigneter Höhe und
Breite, jedoch mit einem dem vorherigen Impuls entgegengesetzten algebraischen Vorzeichen, an die Elektroden angelegt. Danach befindet
sich die ferroelektrische Keramik in einem Zustand mit der mittleren
remanentejn Polarisation Null und stellt für den ordentlichen und für
den außerordnetlichen Strahl eine verschiedene optische Wegdifferenz dar. Somit tritt der Lichtstrahl im allgemeinen aus der Keramik
elliptisch polarisiert aus. Daher geht ein Teil des Lichtes durch den Analysator und wird für den Verbrauch durch einen Vervielfacher
gesammelt. Somit liefert das System einen optischen Verschluß des
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Vorteilhafterweise ist der Zustand Aus durch einen kleineren Betrag
der Lichtstreuung als der Zustand Ein gekennzeichnet, um ein größeres
Ein-Aus-Verhältnis zu erreichen. Dies kann erreicht werden, indem
die Dicke der Keramik so gewählt wird, daft im Zustand Aus der PoIarisationszustand dem kleineren Streubetrag entspricht, so daß ein Zu-ψ
stand Aus entsteht, der durch eine vollkommenere Auslöschung des
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen
beschrieben; es zeigen:
Fig. 1 ein optisches Verschlußsystem des Stromstoßrelaistyps,
das eine ferroelektrischei Peinkornkerafiiikplatte gemäß
der Erfindung enthält;" \ ;
der Keramik, um eine Arbeitsweise des in Fig. 1 dargestellten Systems zu erläutern, und
Fig. 3 eine graphische Darstellung der Ein-Aus-Intensitätsverhältinisse, die man bei einer besteimmten Arbeitsweise einer
bestimmten Ausführung des in Fig. 1 dargestellten optischen Verschlußsystems erhält.
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Wie in Fig. 1 dargestellt ist, liefert eine optische Quelle 11, z.B. ein
Helium-Neon-Laser einen Strahl aus unpolarisiertem Licht« der sich
in der z-Richtung fortpflanzt. Ein Polarisator 12 überträgt nur diejenige Ebene der elektrischen Polarisation des Strahls, die einen Winkel von 45° sowohl mit der x-, als auch mit der y-Achse bildet. Der '
Stralil geht dann durch eine ferroelektrische Feinkornkeramikplatte 13 An eine große Oberfläche 13 A der Keramikplatte 13 wird ein Eingangs spannungsimpuls
signal V™ von einer Impulsspannungsquelle 14 mit
Hilfe der Aluminiumelektroden 15A und 15B angelegt, die in körperlichen
Kontakt mit den Indiumelektroden 16A und 16B stehen. Das aus
der Keramikplatte 13 austretende Licht durchquert einen Analysator 17,
der unter einem Winkel von 90 ("gekreuzt") zum Polarisator 12 angeordnet ist. Dann wird das Licht zum Verbrauch durch einen Vervielfacher
18 gesammelt.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, wird ein erster Impuls mit der Höhe V1 und
der Dauer A t^ durch die Impulsspannungsquelle 14 an die Elektroden
15A und 15B angelegt. Das hierdurch in der keramischen Platte 13
zwischen den Elektroden 16A und 16B erzeugte elektrische Feld in der
y-Richtung schaltet die Platte 13 in den ersten Zustand maximaler,
mittlerer remanenter Polarisation um. Irgendeine willkürlich vorbestimmte Zeit später wird ein zweiter Impuls mit der Höhe V- und der
009886/U20 ;
Dauer ^t0 an die Platte 13 durch die Impulsquelle 14 angelegt. Danach
befindet sich die Platte 13 in einem zweiten Zustand mit der mittleren
remanenten Polarisation Null. Die Doppelbrechungseigenschaft der Platte 13 im ersten Zustand unterscheidet sich selbstverständlich von
der Eigenschaft im zweiten Zustand. Die Dicke der Keramikplatte 13
ist so gewählt, daß im Zustand Aus, bei dem sich die Keramikplatte
im ersten Zustand mit maximaler mittlerer Polarisation befindet, die
* Doppelbrechung der Platte 13 bewirkt, daß die Polarisationsebene des
Lichtstrahls um 180° oder ein ganzzahliges Vielfaches hiervon (d.h.
eine Verzögerung einer geraden Anzahl von halben Wellenlängen)
"gedreht" wird. In diesem Zustand Aus löscht der Analysator 17 den
Lichtstrahl bei einem minimalen Hintergrund infolge Streuung in der
Keramikplatte 13 aus. Im zweiten Polarisationszustand der Keramikplatte
13, d.h. nach dem zweiten Impuls V2, wird der Lichtstrahl
wenigstens teilweise durch den Analysator 17 übertragen und zum,Ver-
fc brauch durch den Vervielfacher 18 gesammelt.
Die ferroelektrische Feinkörnkeramik 13, z.B. PZT 65/35-2% La
mit einer Nennkorngröße von etwa 1 Mikrometer, wie man sie von der
Clevite Corporation erhält, hat anfangs die Form von Scheiben mit
einem Durchmesser von etwa 9, 5 mm und einer Dicke von 0,38mm.
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Die Scheiben werden auf eine endgültige Dicke von 37 Mikrometer
geläppt, wobei die letzte Läppung beide Seiten mit einer optischen
Politur versieht. Die dünnen Scheiben werden in die Form von Rechtecken
von etwa 5 χ 2, 5 mm zerlegt und in Luft 10 Minuten läng bei
7000C geglüht. Sie werden dann langsam über den Curie-Punkt (3300C)
abgekühlt, um einen thermischen Schock zu vermeiden. Die beiden
Aluminiumelektroden 15A und 15B werden auf.der einen Fläche der
rechteckig geformten keramischen Feinkornplatte 13 mit einem solchen
Abstand aufgedampft, daß ein Spalt von etwa 1, 5 mm zwischen ihnen
entsteht. Die rechteckige Platte 13 wird dann vdrgepolt, indem ein
Feld von etwa 20 kV/cm bei einer erhöhten Temperatur von etwa 150 C
angelegt wird. Schließlich werden auf derselben Fläche der Platte 13#
wie die Aluminiumelektroden 15A und 15B, die Indiumelektroden 16A
und 16B so aufgedampft, daß sie in Kontakt mit ihnen stehen, wie es
in Fig. 1 dargestellt ist, wobei ein Spalt von etwa 125 u entlang eines
lmm breiten Kanals stehenbleibt. Die fertiggestellten Stücke werden
auf Teflon-Halter (nicht dargestellt) aufgesetzt, die dazu dienen, Leckströme zwischen den Anschlußleitern klein zu halten und eine mechanische
Halterung zu liefern.
. Fig. 2 zeigt eine typische graphische Darstellung von V\. abhängig von
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der Zeit, wobei VTXT die an die Elektroden 15A und 15B angelegte
IN . oo
Eingangsspannung bei einer bestimmten Arbeitsweise des in Fig. 1 dargestellten Systems ist. Typischerweise hat der Impuls V eine
Höhe von etwa 300 V und eine Breite At, von 1 Millisekunde oder
mehr, während der Impuls V0 eine Höhe von 150 Volt und eine Breite
von ebenfalls 1 Millisekunde oder mehr hat. Bei dem willkürlich
vorbestimmten Zeitintervall zwischen den Impulsen V- und V0 befin-
W det sich das in Fig. 1 dargestellte System im Zustand Aus, wobei der
Lichtstrahl durch den Analysator 17 ausgelöscht wird, während nach
dem Impuls V0 das System sich im Zustand Ein befindet und der Lichtstrahl
teilweise durch den Analysator 17 übertragen wird. Somit liefert
das in Fig. 1 dargestellte System beim Betrieb mit der in Fig. 2 dargestellten Eingangsspannung einen optischen Verschluß des Stromstoßrelaistyps.
Selbstverständlich kann ein (nicht dargestellter) Kompensator, z.B.
des Typs Babinet-Soleil irgendwo zwischen dem Polarisator 12 und dem Analysator 17 angeordnet werden. Dieser Kompensator ist bekanntlich zur Erzielung irgendeines Betrags an zusätzlicher "Vorspannung"
für den Doppelbrechungsweg des Lichtstrahls nützlich.
Für die Verwendung des in Fig. 1 dargestellten Systems in der Arbeite-
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weise der Fig. 2 zeigt Fig. 3 eine graphische Darstellung der für das
Ein-Aus-Intensitätsverhältnis erzielten Ergebnisse, abhängig von den
Zeitintervallen & t. Hier stellt Δ t die gleiche Dauer beider Impulse
V, und Vn dar. d.h. den Fall, bei dem At gleich At1 gleich Δ t ist.
1 C
A *
Ein "Knie" in der Kurve der Fig. 3 bei etwa 1 Millisekunde zeigt an,
daß die Impulsbreiten At1 und At- nicht kritisch sind, solang sie
1 Millisekunde übersteigen. Darin liegt der Schlüssel für den Vorteil
der ferroelektrischen Feinkornkeramiken gegenüber anderen ferroelektrischen
Materialien, die dieses Merkmal nicht zeigen. Das "Knie"
zeigt an, daß solange die Impulsbreiten At* und ^t„ einen Wert von
etwa 1 Millisekunde übersteigen, das Ein-Aus "-Verhältnis etwa 18 Dezibel
übersteigt, vorausgesetzt, daß die Impulshöhen V- undV„ in geeigneter
Weise, wenn auch nicht kritisch, gewählt sind.
Offensichtlich kann das System der Fig. 1 auch als Voltmeter benutzt
werden, das die maximale Spannung in einem von der Quelle 14 an die Elektroden 16A und 16B angelegten Spannungssignal nicht. Dies
gilt, solange die wesentlichen Fourier-Komponenten des Signals einer
Fourier-Frequenz von 10 je Sekunde oder weniger entsprechen und
das Signal nur positiv oder negativ ist.
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Es wurde ferner festgestellt, daß durch Wiederholen des oben beschriebenen
Erhitzungs- und Vorpolungsprozesses der Vorbereitung der keramischen Platte 13, dem eine einzige Ausglühung folgt, eine
"überpolte11 Keramik erhalten wird, die zwischen einem Zustand Null
und einer gesättigten remanenten Polarisation durch eine Spannungsimpulsquelle
umgeschaltet werden kann, bei der V1 ■ -V0 ist« Hierdurch
kann die Schaltung der Spannungsimpulsquelle gegenüber der Schaltung etwas vereinfacht werden, die für den oben beschriebenen
FaIlV- - -2VO, d.h. V1 - 300 Volt und V1, " -150 Volt, erforderlich
ist.
Überdies macht bei einer xy adressierbaren ferroeiektrischen Anord«
nung die Verwendung der in der oben beschriebenen Weise vorbereiteten
"überpolten11 ferroelektrischen Feinkornkeramik ein weit geringeres
"Übersprechen" zwischen dem einzigen adressierten Ort und
den zahlreichen nichtadressierten Orten mit denselben χ oder y Koordinaten als bei den bekannten ferroelektrischen Einkristallen
möglich. Dies beruht auf der Tatsache, daß im Vergleich zu dem ferroelektrischen Einkristallmaterial bei einer ferroelektrischen
"Feinkorn"-Keramik eine an den nichtadressierten Ort angelegte Im« '
pulshöhe von V-/2 den Polarisationszustand nicht soviel beeinflußt*
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wie die Impulshöhe V1, die an den adressierten Ort angelegt ist.
Dies beruht seinerseits auf der Tatsache, daß bei einem ferroelektrischen
Einkristallmaterial eine Impulshöhe V^/2, die eine ausreichend
lange Zeit andauert, das ferroelekfcrische Einkristallmaterial vollständig
in einen gesättigten Zustand der remanenten Polarisation umschaltet, während bei einer ferroelektrischen Feinkornkeramik eine Impuls höhe
von V,/2, die die gleiche oder sogar eine größere Zeit andauert,
die ferroelektrische Feinkornkeramik nur in einen Zwischenzustand der remanenten Polarisation bringt.
Wenn auch die Verwendung von Indium für die metallischen Elektroden
16A und 16B insgesamt mehr als 10 Schaltzyklen der keramischen
Platte 13 ergeben hat, so können doch anstelle des Indiums auch andere Metalle verwendet werden. Überdies können die Elektroden 15A
und 15B vorteilhafterweise auch aus Gold-Chrom oder aus irgendwelchen
anderen bekannten stabilen Metallen oder Legierungen statt aus Aluminium hergestellt werden.
Wenn auch das bevorzugte Material für die ferroelektrische Platte 13
Lanthan-dotiertes Bleizirconat-Titanat (PZT) ist, so können für diese
Platte 13 doch auch andere Materialien verwendet werden. Zum Beispiel kann als ferroelektrisches Material Wismuth-dotiertes PZT
0 0 9886/H2 0
- " MT
verwendet werden, wenn auch festgestellt wurde, daß es weniger
Doppelbrechung als Blei-dotiertes PZT liefert. Ferner können auch andere ferroelektris ehe Feinkornkeramiken benutzt werden, wenn
sie der Technik zur Verfügung gestellt werden.
009886/1420
Claims (7)
1. I Lichtgatter, enthaltend eine ferroelektrische Platte mit zwei
Metallelektroden, die auf einer einzigen großen Oberfläche der Platte
angeordnet sind und die einen Spalt definieren, ferner Mittel zum aufeinanderfolgenden
Anlegen von wenigstens zwei Spannungsimpulsen
an die Elektroden,
dadurch gekennzeichnet, daß
dadurch gekennzeichnet, daß
der erste der Impulse die entgegengesetzte Polarität wie der zweite
Impuls hat und dadurch, daß die ferroelektrische Platte aus einem
ferro elektrischen Peinkornkeramik-Material besteht, worauf der erste
Impuls ausreicht, um die remanente mittlere Polarisation der Platte
auf einen Wert umzuschalten, der wesentlich von Null verschieden ist,
und daß der zweite Impuls ausreicht, tun die remanente mittlere Polarisation
auf einen Wert umzuschalten, der im wesentlichen gleich Null
ist. - ■■.:'■■■;-..■ - ■ " ■
■ - - - ■'-■■■ - - f
2. Lichtgatter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Platte im wesentlichen aus Bleizirconat-Bleititanat besteht.
0098 8 67H20 '
3. Lichtgatter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Gewichtsverhältnis des Bleizirconats- zum Bleititanat etwa 65 zu 35 beträgt.
4. Lichtgatter nach Anspruch 2, ^ dadurch gekennzeichnet, daß
das Bleizirconat-Bleititanat mit etwa 2 Atomprozent Lanthan-dotiert ist.
5. Lichtgatter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Analysator und ein Polarisator jeweils an einer Seite der großen
Oberfläche der Platte angeordnet sind.
6. Lichtgatter nach Anspruch 5, P dadurch gekennzeichnet, daß
eine optische Quelle vorgesehen ist, die einen Lichtstrahl liefert, der
auf den Analysator fällt.
7. Lichtgatter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der erste Polarisationszustand durch eine im wesentlichen gesättigte Polarisation der Platte gekennzeichnet ist.
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| DE2416684A1 (de) * | 1973-04-06 | 1974-10-17 | Hitachi Ltd | Elektrooptischer speicher und verfahren zur informationsspeicherung |
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| BE752272A (fr) | 1970-12-01 |
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