DE2349983A1

DE2349983A1 - Lichtelektrischer umsetzer zur lichtanzeige in lichtwellenleiter

Info

Publication number: DE2349983A1
Application number: DE19732349983
Authority: DE
Inventors: Richard Burnaby Dyott
Original assignee: Post Office
Current assignee: Post Office
Priority date: 1972-10-06
Filing date: 1973-10-04
Publication date: 1974-04-25
Also published as: AU6131573A; FR2202364A1; NL7313445A; GB1416154A; FR2202364B1; JPS49134384A

Description

Patentanwälte

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The Post Office, London (Großbritannien)

Lichtelektrischer Umsetzer zur Lichtanzeige in Lichtwellenleiter

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umsetzen von Licht in ein elektrisches Signal-Die hier verwendeten Begriffe-"Licht" bzw. "optisch" beziehen sich auf Bereiche des elektromagnetischen Spektrums, die üblicherweise als Infrarotbereich, sichtbarer Bereich und Ultraviolettbereich bezeichnet werden.

Der Begriff "Kanal-Elektronenvervielfacher" soll einen Kanal-Photo vervielfacher ohne Photokathode bezeichnen.

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Eines der Probleme bei photo- oder lichtelektrischen Verfahren für die Detektion oder Anzeige von Infrarotstrahlung ist der niedrige Quantenwirkungsgrad oder -ausbeute lichtelektrischer Effekte im Infrarotbereich. Dies bedeutet, daß die Anzahl von Elektronen, die für eine gegebene Stärke von einfallender Energie erzeugt wird, niedrig ist. Um den Wirkungsgrad von lichtelektrischen Detektoren im Infrarotbereich zu verbessern, muß die Kopplung zwischen der einfallenden Strahlung und der Photokathode verbessert werden. Es sind bereits Detektoren entwickelt worden, bei denen die Strahlung auf der Vorderfläche der Photokathode auf tr if ft, d. h. auf derjenigen Fläche, von der die Photoelektronen ausgesandt werden, und zwar unter einem kleinen Winkel mit der Senkrechten zur Kathodenfläche. Wenn ein Lichtstrahl in eine Richtung gezwungen wird, die nahezu parallel und in sehr geringem Abstand zur Fläche eines lichtelektrischen Strahlers verläuft, wird die Wahrscheinlichkeit vergrößert, daß ein gegebenes Photon in eine Wechselwirkung mit der Fläche tritt und ein Photoelektron erzeugt wird. Der Grund dafür liegt in der erhöhten Zeitdauer, während der das Photon und die lichtelektrische Fläche aufeinander einwirken können. Auf diese Weise können niedrige Quantenwirkungsgrade teilweise verbessert werden.

Dieses Prinzip ist mit besonderem Erfolg für das Umsetzen und Anzeigen von licht in dielektrischen Lichtwellenleitern anwendbar. Bei dielektrischen Lichtwellenleitern wird das Licht auf einen besonderen Weg gezwungen, so daß lediglich eine geeignete Kathodenanordnung entworfen werden muß, die an den dielektrischen Lichtwellenleiter angeschlossen wird.

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Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zum Anzeigen von Licht, das sich in einem dielektrischen Lichtwellenleiter ausbreitet, wodurch zumindest teilweise die niedrigen Quantenwirkungsgrade von Lichtdetektoren im Infrarotbereich verbessert werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen lichtelektrischen Umsetzer zum Umsetzen eines sich längs eines dielektrischen Lichtwellenleiters ausbreitenden Lichtsignals in ein elektrisches Signal, mit einem Abschnitt aus einem dielektrischen Lichtwellenleiter aus einem Kern und einem Mantel.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich durch ein Verfahren zur lichtanzeige in einem dielektrischen lichtwellenleiter aus einem Kern und einem Mantel.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

. Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Umsetzen von Licht aus einem dielektrischen Lichtwellenleiter in ein elektrisches Signal,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Umsetzen von Licht aus einem dielektrischen Lichtwellenleiter in ein elektrisches Signal,

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Fig. 3 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Lichtumsetzers, zusammen mit der zugehörigen Stromversorgung,

Fig. 4 einen Lichtumsetzer mit einer ebenen Photokathode,

Fig. 5 einen Lichtumsetzer mit einer geformten Photokathode, und

Fig. 6 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Umsetzen von Licht aus einem dielektrischen Lichtwellenleiter in ein elektrisches Signal.

Fig. 1 zeigt einen lichtelektrisc hen Umsetzer, bei dem das anzuzeigende Licht einen dielektrischen Lichtwellenleiter aus einem Kern 1 und einem Mantel 2 durchläuft. Typische Werte des dielektrischen Wellenleiters sind 12 um Gesamtdurchmesser und ein Kern-Mantel-Durchmesserverhältnis von 1:5. Der dielektrische Lichtwellenleiter wird so gezogen, daß er einen Konusabschnitt 6 bildet. Auf diesem Abschnitt ist eine geeignete Kathode 9 aus lichtempfindlichem Material aufgebracht . Die Kathode ist ein lichtelektrischer Strahler, der auf Infrarotstrahlung, insbesondere aus einem GaAs-Laser, empfindlich ist. Der lichtelektrische Strahler sendet Photoelektronen aus, wenn Infrarotstrahlung auf ihn einwirkt. Das Konusende eines dielektrischen Lichtwellenleiters wird koaxial in einer Zylinderelektrode 4 angeordnet, die gegenüber der Photokathode 9 auf positives Potential gelegt wird und als Anode wirkt. Zusätzlich ist ein Mangetfeld B vorhanden, dessen Richtung durch Pfeile 3 bezeichnet ist. Eine Röhre 8 eines Kanal-Elektronen-

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vervielfachers ist koaxial und in der Wähe des Endes der Anode 4 angeordnet- Das Ende der Kanal-Elektronenyervieliächerröhre wird gegenüber der Photokathode 9 auf positives Potential gelegt, das beträchtlich größer ist als jenes der Anode 4.

©ie elektrischen Verbindungen der Stromversorgung für den optischen Wandler sind in Fig. 3 dargestellt. Eine Spannung sguelle 13 liefert die Bezugspötentiale der Photokathode 16, der Anode 4 und der Röhre des Kanal-Elektronenvervielfachers derart, daß die Anode 4 positiv gegenüber der Kathode 16 und die Bohre 8 positiv gegenüber der Anode 4 ist. Die Elektrodenanordnung ist in einem evakuierten Behälter 17 eingeschlossen, um den eine Spule 15 angebracht ist, die das Magnetfeld B erzeugt. Die Spule wird mit Strom aus einem Netzteil 14 versorgt.

Licht, das einen Abschnitt eines gewöhnlichen dielektrischen Lichtwellenleiters durchläuft, wird gezwungen, sich längs des Kerns 1 auszubreiten. Das heißt, es gibt scheinbar keine Wechselwirkung zwischen dem Lieht und der Oberfläche oder einem Belag auf der Oberfläche des Wellenleiters- Wenn jedoch ein Licht 5 in einen Konusabschnitt 6 des dielektrischen Lichtwellenleiters gelangt, wird das Licht aus dem Kern ausgekoppelt und breitet sieh mit abnenxnendem i£onusdurchmesser durch den Mantel ,aus- Damit toesp^t das Licht an der Fläche des KonusaT3Schnittes eine beträchtliche intensität. Das Lieht kann semtt mrfdie •Ehotokathode 9 einwirken. Da das Licht gezwungen \ird, iüber eine beträchtliche Weglänge sehr nahe zur Photokathode zu verlaufen, ist eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür gegeben, daß ein gegebenes Photon irgend-

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wo auf seinem Weg mit einem Elektron in Wechselwirkung tritt, so daß dieses aus der Photokathode austritt., und zwar trotz des niedrigen Quantenwirkungsgrades des lichtelektrischen Effektes im Infrarotfaereich. Die Zahl der austretenden Elektronen hängt natürlich mit der Intensität des einfallenden Lichts zusammen.. Pas starke elektrische Feld, das durch den kleinen Durchmesser der Photokathbde erzeugt wird, unterstützt das Austreten von Elektronen aus der Photokathode.

Wenn ein Elektron von der Photokathode losgelöst wird, läuft es ■auf einer Spiralbahn 7 zur Kanal-Elektronenvervielfacherrohre 8. Ohne Magnetfeld B und ohne das hohe positive, durch die Röhre 8 des Kanal-Elektronenvervielfachers erzeugte Feld würden die aus der Photokathode 9 austretenden Elektronen auf einer geraden radialen Bahn laufen und auf die Anode 4 auftreffen. Das Magnetfeld bewirkt, daß die Elektronen eine Spiralbahn beschreiben, während das durch die Röhre des Kanal^Sl^;ektronenvervielfachers verursachte elektrische Feld eine Bewegungskomponente in Richtung der Achse der Anode 4 erzeugt . Die zusammengesetzte Elektronenbahn ist eine Wendel, deren Radius sich kontinuierlich erweitert- Der Zweck des Manget felds besteht darin, das Einkoppeln der Elektronen in 4©n Kanal-Elektronenvervielfacher zu unterstützen- Beim Auf treffen auf die Röhre des Kanal-Elektronenveryieifachers in Punkt 10 verursacht ein einfallendes Elektron das A ussenden von Sekundär elektronen, deren Anzahl durch die Wirkung der Röhre weiter vervielfacht wird.

Die gesamte Anordnung nach Fig. 1 ist natürlich in einejaa geeignet evakuierten Behälter eingeschlossen.

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In einer abgeänderten Anordnung des Detektors wird das Magnetfeld weggelassen. Unter diesen Umständen laufen die Elektronen nach Fig. 2 längs einer Bahn 7. Diese Anordnung hat den Vorteil der Einfachheit, jedoch auf Kosten eines geringeren Kopplungsgrades beim Elektronentransport, zum Kanal-Elektronenvervielfacher.

Eine weitere Vereinfachung der Anordnung ist durch Weglassen der Elektrode 4 in Fig. 2 erreichbar. Das Konusende des dielektrischen Lichtwellenleiters wird dann in das Ende des Elektronenvervielfacherkanals 8 eingefügt, wie Fig. 6 zeigt *

Das Prinzip zur Verbesserung des Wirkungsgrades, mit dem lichtelektrische Strahlung induziert wird, indem der Lichtstrahl gezwungen wird, parallel' und nahe einer Photokathode zu verlaufen, ist nicht auf die Anwendung auf dielektrische Lichtwellenleiter beschränkt. Zwei davon abweichende Anordnungen sind in den Fig. 4 und 5 dargestellt. In Fig. 5 ist eine Photokathode 9 auf einen konkaven transparenten Block 12 aufgebracht. Das Licht 5 durchläuft den Block nahe der Photokathode, was z.B. eine Elektronenstrahlung 7 ergibt. Die gekrümmte Ausbildung des Blocks unterstützt die Einkopplung von Elektronen in die Röhre 8 eines Kanal-Elektronenvervielfachers, der in diesem Ausführungsbeispiel als Einzelanode wirkt. Durch eine gekrümmte Photokathode ergeben sich geringe Verluste in der wirksamen Kopplung zwischen der Photokathode und dem einfallenden Licht, da die Wechselwirkung zwischen dem Licht und, der Photokathode nur über einem begrenzten Gebiet erfolgt, in dem sich das Licht derPhotokathode nähert.

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Wenn eine ebene Kathode nach Fig. 4 verwendet wird, wird die Wechselwirkung zwischen dem einfallenden Licht 5 und der Photokathode verbessert. Der Kopplungsgrad für den Elektronentransport zur Elektronenvervielfacherröhre wird jedoch leicht verringert.

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Claims

F a t e a t a & s ρ jt ti e ha

!Lichtelektrischer Umsetzer zum umsetzen eines sich längs

eines dielektrischen Lichtwellenleiters ausbreitenden Lichtsignals im ein elektrisches Signal, mit einem Abschnitt aus einem dielektrischen Licht wellenleiter aus einem Kern und einem Mantel,: dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des.Mantels (2) eine Schicht aus lichtempfindlichem Material (9) aufgebracht ist, wobei der dielektrische Lichtwellenleiter so angeordnet ist, daß Licht aus dem Kern in den Mantel einkoppelbar ist und mit der Schicht aus lichtempfindlichem Material (9) in eine Wechselwirkung tritt.
2. Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet * daß der·dielektrische Lichtwellenleiter einen Kreisquerschnitt hat.
3. Umsetzer nach Anspruch 1 oder 2* dadurch gekennzeichnet, daß das lichtempfindliche Material (9) ein lichtelektrischer Strahler ist, und daß eine erste Anode (S) ztxm Auffangen von durch den lichtelektrischen Strahler ausgesandten Photbeiektronen vorgesehen ist.
4. Umsetzer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Anode (8) eine Kanal-Elektronenvervielfaeherröhre (8) ist.
5. Umsetzer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Lichtwellenleiter in der Kanal-Elektronenvervielfacherröhre angeordnet ist.

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6. Umsetzer nach Anspruch; 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt aus einem dielektrischen Lichtwellenleiter in einer zweiten Anode (4) angeordnet ist, die zum dielektrischen Mehtwellenleiter und zur Kaiial-EIektronenvervielfacherröhre (8) koaxial angeordnet ist, wobei eine Endfläche des Abschnittes aus einem dielektrischen Lichtwellenleiter in der Mähe und außerhalb der Kanal-Elefctronenvervielfacherröhre angeordnet ist.
7. Umsetzer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnetfeld (3) parallel zum dielektrischen Lichtwellenleiter angeordnet ist, wobei das Magnetfeld zum ünkoppeirt der Photoelektronen in die Kanal-Elektronenvervielfacherröhre dient.
8. Umsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Licht aus dem Kern in den Mantel durch einen Konusabschnitt (6) aus einem dielektrischen Lichtwellenleiter einkoppelbar ist.
9. Verfahren zur Lichtanzeige in einem dielektrischen Lichtwellenleiter aus einem Kern und einem Mantel, dadurch gekennzeichnet, daß das sieh im Kern (1) ausbreitende Licht in den Mantel (2) eingekoppelt wird, wo das Licht in Wechselwirkung mit einer Schicht aus lichtempfindlichem Material (9) treten kann, das auf die Oberfläche des Mantels so aufgebracht wird, daß ein elektrisches Signal erzeugt wird.

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10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß für den dielektrischen Lichtwellenleiter Kreisquer schnitt gewählt wird.'
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet , daß Photoelektronen erzeugt werden, wenn Licht mit dem lichtempfindlichen Material (9) in Wechselwirkung tritt und daß die Photoelektronen durch eine erste Anode (8) aufgefangen werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Anode (8) durch eine Kanal-Elektronenvervielfacherröhre gebildet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt (6) des dielektrischen Lichtwellenleiters in der Kanal-Elektronenvervielfacherröhre angeordnet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Photbelektronen durch ein elektrisches Feld in die Kanal-Elektronenvervielfacherröhre (8) eingekoppelt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Photoelektronen durch ein gemeinsam wirkendes elektrisches Feld und ein magnetisches Feld (3) in die Kanal-Elektronenvervielfacherröhre eingekoppelt werden.

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16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht durch einen Konusabschnitt (6) aus einem dielektrischen Lichtwellenleiter in den Mantel eingekoppelt wird.

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