DE2113373B2

DE2113373B2 - Modulator fuer kohaerente elektromagnetische strahlung des optischen wellenlaengenbereichs

Info

Publication number: DE2113373B2
Application number: DE19712113373
Authority: DE
Inventors: Satoshi Kimuta Masakazu Doi Kikuo Tokio HOIl 1 12 Nanamatsu
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1970-03-20
Filing date: 1971-03-19
Publication date: 1973-06-28
Also published as: GB1347395A; FR2084901A5; DE2113373A1; JPS5120717B1; NL7103554A; DE2113373C3; US3747022A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Modulator für kohärente, elektromagnetische Strahlung des optischen Wellenlängenb'jreicK mit einem elektrooptischen Kristallkörper, einer Einrichtung zum Einleiten des Strahles in diesen Körper und einer Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes quer durch diesen Körper hindurch in einer für die Modulation des Strahles geeigneten Richtung.

Die Wirkung der elektro-optischen Modulatoren beruht auf der Verwendung eines Einkristall-Materials, dessen Durchlässigkeitseigenschaften für hindurchzuleitende elektromagnetische Wellen durch Anwendung elektrischer Felder geändert werden. Solche Modulatoren können kontinuierlich oder impulsweise arbeiten und Änderungen der Intensität, der Frequenz oder der Phase bewirken.

Wie allgemein bekannt, wird als typisches Material Kaliumdihydrogenphosphat (KDP) in elektro-optischen Modulatoren benutzt. Der entsprechende Kristall ist jedoch für den praktischen Gebrauch wegen seiner hygroskopischen Eigenschaften und seiner Sprödigkeit, die zu Schwierigkeiten beim Schneiden und Polieren führt, wenig geeignet.

Neuerdings wurde gefunden, daß Lithium-Niobat-Einkristalle (LiNbO.,) ein physikalisch und chemisch beständiges Material für Lichtmodulatoren darstellen. Diese Kristalle können nach der Czochralski-Methode in der für die Modulatoren notwendigen Größe leicht gezüchtet und ohne Schwierigkeiten geschnitten und poliert werden. Der elektro-optische Effekt ist bei diesen Kristallen größer als bei KDP-Kristallcn. Diese Kristalle haben jedoch einen verhängnisvollen Nachteil in Gestalt des sogenannten Strahlungsschadens, der darin besteht, daß das Durchstrahlen mit elektromagnetischen Wellen den Brechungsindex in dem durchstrahlten Bereich verändert.

Später fand man, daß Lithium-Tantalat (LiTaO.,) ein für dieselben Zwecke geeignetes Material ist, das keine merklichen Strahlungsschäden zeigt und die ausgezeichnete physikalische und chemische Beständigkeit und die elektro-optische Wirksamkeit des LiNbO in vollem Umfange aufweist. Aber auch LiTaO₁ erweist sich bezüglich der Größe seines elektrooptischen Effekts für die Benutzung in hochempfindlichen Breitbandmodulatoren immer noch als unbefriedigend.

Dei Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen elektro-optischen Modulator anzugeben, der physikalisch und chemisch beständig ist und einen besonders großen elektro-optischen Effekt aufweist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Kristallkörper aus einem Einbereichs-Einkristall der nominalen Zusammensetzung Sr₂NKu₇ besteht.

Es wurde gefunden, daß Einkristalle der ungefähren Nominal-Zusammensetzung Sr₂Nb₂O₇ einen größeren elektro-optischen Effekt zeigen als LiTaO.,-Kristalle. Wie LiTaO., weist Sr₂Nb₂O₇ keine Duruhstrahlungsschäden auf, auch wenn es über lan.^t Zeiträunie von elektromagnetischen Wellen durchstrahlt wird, hat es die ausgezeichnete physikalisch.· und chemische Beständigkeit und kann mittels üblicher Verfahren, wie nach der Czochralski-Methode und nach dem Schwebezonen-Verfahren leicht in großen, gleichmäßig beschaffenen Einkristallen gute: Qualität gezüchtet werden.

Erfindgungsgemäße elektro-optische Modulatoren, bei denen Sr.,Nb₀0.-Einkristalle benutzt sind, können sowohl kontinuierlich als auch impulsweise arbeiten und zur Änderung der Intensität, der Frequenz oder der Phase über große Bandbreiten benutzt werc'en.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß der Modulator mit hohem Wirkungsgrad bei verhältnismäßig niedriger Modulationsspannung arbeitet, so daß die Modukitorschaltung transistorisiert werden kann und der ganze Modulator mit kleinsten Abmessungen ausgeführt werden kann.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand erläutert.

F"ig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines beispielsweisen Zuschnittes eines Sr₂Nb₂O.-Einkristalls für elektro-optische Zwecke mit Darstellung der Kristallachsen und

F i g. 2 eine schematische Ansicht eines Sr₂Nb₂O₇-Modulators gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Bevorzugte Ausgangsmaterialien zur Herstellung von Sr.,Nb.,O₇-Einkristallen sind Strontium-Karbonat und Nioboxid. Es können jedoch auch andere Materialien benutzt werden, die sich während der Behandlung in Strontium- oder Nioboxid zersetzen. Die Ausgangsmaterialien werden entsprechend einem Molekularverhältnis von Strontiumoxid (SrO) zu Nioboxid (Nb„O,) von 2 : 1 im Endprodukt gewogen, gemischt und bei einer Temperatur von z.B. 1250° C gesintert, so daß sich durch Reaktion im festen Zustande vielkristallines Sr,Nb₂O₇-Material ergibt.

Es wurde gefunden, daß der Schmelzpunkt von Sr₂Nb₂O₇ bei ungefähr 1700° C liegt. Bei der Kristallzüchtung nach der Czochralski-Methode wird das gesinterte Materal in einen Iridium-Tiegel gefüllt, geschmolzen und mit einer Geschwindigkeit von z. B. 6 mm pro Stunde herausgezogen. Bei Anwendung des Schwebezonen-Verfahrens wird aus dem gesinterten Material zuerst eine keramische Stange geformt. Das Folgende ist ein Beispiel für die weitere Herstellung nach diesem Verfahren. Die keramische Stange und ein Kristallkeim werden in einen Spiegel-

6. Die relativen dielektrischen Konstanten t₀T, e_bT und e_cT ergaben sich, gemessen bei 1 kHz und Raumtemperatur zu 75 bzw. 46 bzw. 43. Der Wert von £_fT ist also klein genug, wie bei KDP (50)

5 LiNbO₃ (28) und LiTaO₃ (47).

7. Der Einkristall ist stark piezoelektiisch. Der elektromechanische Kupplungskoeffizient A₃₃ beträgt 26%, ist also größer als der eines LiTaO₃-Einkristalls

(21%).

Aus 3. bis 6. ergibt sich, daß der Sr₂Nb₂O₇-Einkristall das beste bisher für elektro-optische Modulatoren vorgeschlagene Material darstellt. Seine Güte l/(e ■ [E ■ /J/.-72) beträgt das 5,7fache von KDP, das l,4fache von LiNbO₃ und das 2,5fache von

ofen gebracht, wie er z. B. in IEEE Transactions on Magnetics, Vol. Mag. 5, No. 3, September 1969, S. 2S6, Fig. 1 beschrieben ist, mit 30 Umdrehungen je Minute in entgegengesetzten Richtungen gegeneinander gedreht und in der Luft mit einer Zonengeschwindigkeit von 10 mm je Stunde abwärts bewegt. Der durchsichtige Kristall, den man erhält, hat ungefähr 5 mm Durchmesser und 40 mm Länge und hat eine Dichte von 5,1 g je cm^:i.

Der Einkristall kann sogar auch dann hergestellt io werden, wenn das Molekularverhältnis von SrO zu Nb₂O₅ von der stöchiometrischen Zusammensetzung (2:1) innerhalb eines Bereiches von 1,7 : 1 bis 2,4 : 1 abweicht.

1. Die Sr₂Nb₂O₇-Einkristalle gehören dem rhom- 15 LiTaO₃.

buchen Kristall-System, und zwar der C_ov-Gruppe Über Sr.,Nb.,O₇ in keramischer Form ist von

an. Sie sind optisch zweiachsig und ihre" optische Smolenskii und anderen bereits in Soviet Physics-Ebene liegt parallel zu der c-Ebene. Der Kristall hat Doklady, 1 (1956), S. 300, berichtet worden. Danach eine natürliche Spaltfläche parallel zu der ö-Ebene, wurden aber nur die dielektrische Konstante und tg.·) während die Halbierende des optischen Winkels 20 gemessen, während erst der Erfindung die Erkenntnis senkrecht auf der 6-Ebene steht. Die Gitterkonstan- zugrunde liegt, daß sich Sr.Nb.O^Einbereichs-Einte. rt, b und c erfüllen die Beziehung a<c<b. kristalle besonders auf dem"Gebiet der Lichtmodu-

2. Der Sr₂Nb₂O₇-Einkristall ist ferro-elektrisch und lation mit besonderem Vorteil verwenden lassen. sein Curie-Punkt liegt nahe bei 135O¹C. Die spon- Gemäß dem Beispie! nach Fig. 2 ist bei einem tanc Polarisation findet längs der c-Achse statt und 25 die Erfindung verkörpernden elektro-optischen man kann bei Raumtemperatur eine D-E-Hysterese- Modulator ein rechtkantiger Körper 1 ί aus einem Schleife beobachten. Die Werte der spontanen PoIa- aus Strontium-Niobat bestehenden Einbereichs-Einrisation und des Koerzitiv-Feldes betragen 9 μ C/cm- kristall verwendet, dessen Abmessungen ü,2 mm in bzw. 6 kV/cm. ' der ^-Achsrichtung, 7,2 mm in der ^-Achsrichtung

3. Der Einkristall ist chemisch und physikalisch 30 und 0,2 mm in der c-Achsrichtung betragen. An den stabil und zeigt keine meßbaren Zerstörungen, wenn beiden Oberflächen des Kristalls 11 sind senkrecht er irgendeiner ihm normalerweise begegnenden zur c-Achse zwei Elektroden 12 und 13 angebracht. Atmosphäre ausgesetzt wird. über welche ein elektrisches Modulationsfeld von

4. Der Sr₂Nb₂0₇-Einkristall weist einen linearen der Spannungsquelle 14 her angelegt wird. Der Krielektro-optischen Effekt auf. Der Effekt ist am groß- 35 stall 11 ist zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren 15 ten, wenn die Spannung längs der c-Achse angelegt und 17 angeordnet, deren Polarisationsrichtungen zu wird jnd sich das Licht längs der ft-Achse fortpflanzt. der c-Achse des Kristalls 11 unter - 45 und —45 ge-In diesem Fall beträgt das Halbwellen-Feldabstand- neigt sind. Ein von einem He-Ne-Laser herkommen» Produkt ungefähr 180OVoIt bei 5328 Angström. der Lichtstrahl 18 wird durch den Polarisator IS

Zu Fig. 1: das Halbwellen-Feldabstand-Produkt 40 polarisiert und auf den Kristall 11 gebündelt, längs (E ■ I))Jl wurde unter Bedingungen gemessen, wobei der ö-Achse durch den Kristall hindurchgeleitet und ein He-Ne-Laserstrahl einer Wellenlänge von durch das längs der c-Achse angelegte elektrische 6328 Angström sich durch einen Einkristall 1 aus Feld der Modulation unterworfen. Der modulierte Sr₂Nb₂O₇ einer Größe von 2,29 mm (a-Achsrichtung) Lichtstrahl 19 wird durch den Analysator 17 nach X 0,96 rrim (ft-Achsrichtung) X 3,21mm (c-Achs- 45 außen geleitet.

richtung) fortpflanzte. Man erhielt folgende Werte: Bei dem Modulator nach F i g. 2 beträgt die HaIb-

180OVoIt, wenn das elektrische DC-FeId längs der Wellenspannung, also diejenige Spannung, die für c-Achse angelegt wurde und sich der Laserstrahl eine 100°, «ige Modulation notwendig ist. nur 5OVoIt, längs der ft-Achse fortpflanzte, 4300VoIt bei elek- und die Kapazität des Kristalls 11 beträgt nur trischem Feld längs der c-Achse und Laser-Strahl 50 2,7 Pikofarad. Die Spannungsquelle 14 braucht daher längs der α-Achse, 5000 Volt bei elektrischem Feld nur eine übliche Transistorschaltung aufzuweisen, längs der α-Achse und Laser-Licht längs der Es können die Richtungen des Lichtstrahles und

fc-Achse, 32 00OVoIt bei elektrischem Feld längs der des elektrischen Feldes, die als längs der /'-Achse α-Achse und Licht längs der c-Achse, 135 00OVoIt bzw. der c-Achse beschrieben wurden, längs der bei elektrischem Feld längs der fc-Achse und Licht 55 anderen Achsen liegen. Während das Ausführungslängs der α-Achse und 750 000 Volt bei elektrischem beispiel Intensitätsmodulation zeigt, sind auch Frequenz- oder Phasenmodulation möglich. Während für das Ausführungsbeispiel auf die Nominal-Zusammensetzung Sr₀Nb₂O₇ Bezug genommen wurde, wird 60 der elektro-optische Effekt, wie oben erwähnt, über einen Zusammensetzungsbereich beobachtet, innerhalb dessen sich das Molekularverhältnis von SrO zu Nb₀O- von 1,7 : 1 bis 2,4: 1 ändert. Kleine Mengen von Zusätzen können zugelassen werden. Alle

von 70 Mikron L-estrahlt worden war, war kein Strah- 65 derartigen Abwandlungen sollen in den Wortgebrauch lungsschaden erkennbar. »nominale Zusammensetzung« eingeschlossen sein.

Feld längs der ö-Achse und Licht längs der c-Achse.

Der beste Wert, 1800 Volt, ist also kleiner als der bei KDP (4000 Volt), LiNbO₃ (2600 Volt) oder LiTaO₃ (2700VoIt).

5. Der Einkristall zeigt keine Strahlungsschäden. Nachdem der 'kristall zwei Stunden lang mit einem He-Ne-Laserstrahl von 6328 Angström, einer Leistung von 6 Milliwatt und einem Strahldurchmesser

Hierzu 1 Blatt Zeichflungen

Claims

Patentansprüche:

1. Modulator für kohärente elektromagnetische Strahlung des optischen Wellenlängenbereichs, mit einem elektro-optischen Kristallkörper, einer Einrichtung zum Einleiten des Strahles in diesen Körper und einer Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes quer durch diesen Körper hindurch in einer für die Modulation des Strahles geeigneten Richtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristallkörper aus einem Einbereichs-Einkristall der nominalen Zusammensetzung Sr₁Nb₀O₇ besteht.

2. Modulator nach Anspruch 1, dadurch ge- χ kennzeichnet, daß der Strahl längs der kristallographischen b-Achse in den Kristallkörper eingeleitet uird und daß das elektrische Feld längs der kristallographischen c-Aehse angelegt ist.

3. Modulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristallkörper von rechtkantiger Gestalt ist, el ren Haupti . atung in der Richtung der kristallographischen ό-Achse verläuft.

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