DE2359556A1

DE2359556A1 - Verfahren zur steuerbaren richtungsablenkung von lichtstrahlen

Info

Publication number: DE2359556A1
Application number: DE2359556A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Eschler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-11-29
Filing date: 1973-11-29
Publication date: 1975-06-05
Also published as: JPS5087665A; US3964825A; NL7414368A; FR2253225B3; IT1025995B; BE822785A; FR2253225A1

Description

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Verfahren zur steuerbaren Richtungsablenkung von Lichtstrahlen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur steuerbaren Richtungsablenkung einer Vielzahl von Lichtstrahlen, insbespnders für breitbandige optische Nachrichtenvermittelungssysteme, mittels akustöoptischer Lichtablenker,. wobei jeder Lichtablenker den auftreffenden Lichtstrahl in mindestens 10 diskrete Ablenkrichtungen ablenken kann.

Wegen ihrer Einfachheit sind akustooptische Lichtablenker für viele.Anwendungen.wie z.B. optische Nachrichtenübertragungssysteme, optische Speicher, Anzeigevorrichtungen und optische Drucker mit Vorteil einzusetzen.

Der optische Strahl kann mit akustooptischen Lichtablenkern

•3 5 innerhalb von Mikrosekunden wahlfrei auf eine von 10 -10 diskreten Ablenkrichtungen gelenkt werden. Bei den bekannten akustooptischen Lichtablenkern lenken fortlaufende Schallwellen einen Lichtstrahl, beispielsweise einen Laserstrahl,ab, so daß die Umschaltzeit zwischen zwei beliebigen Strahlrichtungen durch die Laufzeit der Schallwelle durch den Lichtstrahlquerschnitt gegeben ist. Man kommt so für typische akustooptische Lichtablenker zu Schaltzeiten zwischen 1 bis 10 /US. .

Als Ablenkmedien kommen neben Kristallen wie Jodsäure, Bleimolybdat und Paratellurit auch hochbrechende Gläser wie Sdiwerflinte in Betracht. Um technisch interessante Wirkungsgrade von mehr als 50% zu erreichen, sind beispielsweise für Gläser , elektrische Steuerleistungen von 2 bis 10 Watt erforderlich.

Sollen nun Ablenkermatrizeii aus beispielsweise 10 - 10

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akustooptischen Lichtablenkern aufgebaut werden, wie sie · z.B. für breitbandige optische Nachriehtenvermittlungssysteme oder holografische Datenspeicher erforderlich sind, so ergibt sich aufgrund der hohen Treiberleistungen, die jedem einzelnen Ablenker zugeführt werden müssen, ein unvertretbar hoher Aufwand für die. Erstellung der Matrix. Des weiteren ist der Einsatz billiger integrierter Schaltkreise für die Steuerelektroniken bei den erforderlichen elektrischen Leistungen, die meistens über 2 Watt pro Ablenker liegen, nicht möglich. ·

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur steuerbaren Richtungsablenkung-von Lichtstrahlen anzugeben, mit dem sich der Aufwand für eine Lichtablenkermatrix gegenüber den bekannten Ablenkermatrizen um den Faktor 10 - 100 reduzieren läßt, bei gleichzeitigen Ablenkungswirkungsgraden von 50% und Steuerleistungen von weniger als 1 ¥att pro Lichtablenker.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art wird zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen, daß die Lichtablenkung in matrixförmig angeordneten, transparenten, akustooptischen Lichtablenkern erfolgt, in denen stehende Schallwellen erzeugt werden. Vorzugsweise sind die in den Lichtablenkern erzeugten Schallwellen stehende hochfrequente Ultraschallwellen im Frequenzbereich von 30 - 200 MHz, die ein optisches Phasengitter bewirken.

Eine geeignete Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus einer Lichtquelle, einer Vielzahl von Modulatoren, die den von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahl mit den Informationen beaufschlagen, einer Vielzahl von akustooptischen Lichtablenkern und einer Vielzahl von Detektoren, wobei die Vielzahl von Lichtablenkern aus einer Matrix von Glas- oder Quarzglaskörpern besteht, deren jeder mit einem

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Piezokristall derart versehen ist, daß sich in ihm eine ^senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung -verlaufende stehende Schallwelle ausbilden kann ,und wobei zwischen der Vielzahl der in -einer Ebene angeordneten Detektoren und der Lichtäblenkermatrix eine Strahlformungsoptik angeordnet ist.

Vorteilhafterweise ist die Strahlformungsoptik eine Sammellinse mit der Brennweite f, die sowohl von der Lichtablenkermatrix als auch von der Detektorebene im Abstand f angeordnet ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens bedeutet einen erheblichen Gewinn an Einfachheit des Aufbäus der Liehtablenkermatrix durch den höheren akustooptischen Wirkungsgrad der Lichtablenker, wobei der Einsatz von weniger leistungsfähigen» aber preiswerten und leicht zu bearbeitenden Materialien wie Quarz oder Quarzglas bei elektrischen Leistungen unter einem Watt ermöglicht wird. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Auswahl des geeigneten Schallmediums nicht mehr unter dem Gesichtspunkt eines besonders hohen akustooptischen Gütefaktors getroffen werden muß, sondern daß andere Eigenschaften wie niedrige Schalldämpfung, günstiges thermisches'Verhalten, leichte Bearbeitbarkeit, optische Homogenität sowie mechanische und chemische Stabilität stärker als bisher berücksichtigt werden können. Ein anderer großer Vorteil liegt in der Realisierbarkeit der Ansteuerelektronik aus einfachen und preiswerten integrierten Schaltkreisen.

Außer für die optische Nachrichtenübertragung eignet sich eine erfindungsgemäße Ablenkermatrix besonders gut als Bauelement für holografisch-optische Datenspeicher, in denen Hologramme aus der Überlagerung von verschiedenen

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Referenzwellen entstehen. Ein weiteres günstiges Anwendungsgebiet sind elektronisch schalfbare Dateneingabemasken, wobei ein besonderer Vorteil darin liegt, daß der Einzelablenker sehr schnell, d.h. mit Frequenzen Ms 50 kHz, ein- und ausgeschaltet werden kann. In Verbindung mit einer Couriertransformations linse ist eine Dateneingabemaske dieser Art zugleich ein schal.fbares Easter von lichtquellen und eine Einrichtung zur Positionierung des Objektstrahles auf den gewünschten Teil der Speicherfläche eines Datenspeichers.

Im folgenden soll die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert werden.

Es zeigen: ■ '

Figur 1 einen erfindungsgemäßen Einzelablenker, Figur 2 eine matrixförmige Anordnung von Lichtablenkern und Figur 3 die Fouriertransformation der abgelenkten Strahlen.

In Figur 1 ist schematisch ein Einzelabienker 1 gezeigt, der vorteilhafterweise aus einem Quader aus Quarzglas oder Glas besteht. Durch einen Oszillator 5 und einem piezoelektrischen Wandler 4, wird in dem Iiichtablenker 1 eine hochfrequente stehende Ultraschallwelle 3 erzeugt, deren Frequenzbereich vorzugsweise zwischen 30 und 200 MHz liegt. Diese Schallwelle 3 erzeugt ein optisches Phasengitter, an dem ein vorzugsweise unter dem Bragg-Winkel einfallender lichtstrahl, z.B. ein Laserstrahl 2, teilweise abgebeugt wird, wobei sich der Beugungswinkel proportional zur Schallfrequenz ändert. Die erste BeugungsOrdnung ist in der Figur mit 7 "bezeichnet und die nullte BeugungsOrdnung mit 6.

Die stehenden Schallwellen 3 bedeuten eine Verbesserung des Wirkungsgrades der optoakustisehen Wechselwirkung, da die Schallleistung wesentlich besser ausgenutzt wird, als bei der Ablenkung an fortlaufenden Schallwellen. Dieser Gewinn an verbessertem Wirkungsgrad ermöglicht eben die Verwendung

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preiswerter Ablenkmedien, wie Glas und Quarzglas, sowie von ,"billigen piezoelektrischen Wandlern, z.B. Quarz., inshesonders eignet sich die Verwendung von stehenden Schallwellen für die vorgesehene Verwendung in Optischen Nachrichtenvermittlungssystemen, da hier Schaltzeiten unter 100 ms ausreichend sind. .

Die Schalleistung wird wegen des vielfachen Hin- und Herlaufs der Schallwelle je nach Dämpfung um den Faktor 10 bis 50 besser ausgenützt als bei Ablenkung an fortlaufenden Wellen. Dies führt selbst bei Ablenkmaterialien wie Quarzglas zu Wirkungsgraden von 20 bis 50$. Als Materialien für die piezoelektrischen Wandler wären Quarz zum Aufkleben oder Cadmiumsulfid bzw. Zinnoxid zum Aufdampfen geeignet.

Als Ablenkmedien kommen außer den genannten Materialien noch andere nichtkristalline Substanzen wie z.B. Kunststoffe in Betracht. . ". . ".

In Figur 2 ist eine Gesamtanordnung aus η.η zweistufigen akustooptisehen Lichtablenkern gemäß der Erfindung ge-

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zeigt, die aus 2n Einzelelementen besteht. Der durch die Erfindung erzielte Vorteil der Vereinfachung wird hier besonders deutlich, da jeweils n: identische Ablenker zu einer Zeile 11 oder zu einer Säule 12 zusammen-, gefaßt werden können, je nachdem, ob die Lichtstrahlen 2 vertikal oder horizontal abgelenkt werden sollen. Dabei ist es vorteilhaft, die Zeilen· 11 oder die Säulen 12 völlig gleich auszuführen, so daß sieh die Matrix insgesamt nur aus 2n solcher identischer Grundelemente zusammensetzt. Da alle Grundelemente gleiche Abmessungen haben, können sie jeweils in einem Arbeitsgang gemeinsam bearbeitet und mit Elektroden bedampft werden. Die piezoelektrischen Wandler 4 können entweder mit bekannten Verbindungstechniken aufgepreßt oder in einem gemeinsamen

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Arbeitsgang aufgedampft werden. Die Elektroden zur Zuführung der elektrischen Leistung kann man ebenfalls in einem Arbeitsgang aufbringen.

Besonders vorteilhaft für die praktische Einsetzbarkeit einer erfindungsgemäßen Ablenkermatrix sind die Kosten der Steuerelektronik pro Einzelabienker. Verschiedene Möglichkeiten zur Ausführung der Steuerelektronik sind bereits in der Zeitschrift "Frequenz" Bd.. 26 (1972), S. 124-129 beschrieben. Jede der Steuerfrequenzen eines einstufigen Ablenkers kann dabei durch einen fest eingestellten dauernd schwingenden Oszillator erzeugt werden. Jedem Oszillator ist ein elektronischer Schalter zugeordnet, der dessen Signal entweder auf eine Sammelleitung durchschaltet oder unterdrückt. Im Betrieb werden die Schalter so gesteuert, daß nur eine einzige Frequenz eingeschaltet und alle anderen gesperrt werden. Als Treiberstufe läßt sich ein besonders einfacher und billiger integrierter Schaltkreis verwenden, der die zum Betrieb des Einzelablenkers benötigte HF-leistung liefert.

Da die Frequenzrasterung für alle Ablenker gleich ist, wird die Kette diskreter HF-Oszillatoren für eine einstufige horizontal oder vertikal ablenkende Ablenkermatrix nur einmal benötigt. Da die Steuerfrequenzen bei stehenden Schallwellen sehr genau mit den mechanischen Resonanzen der Ablenker übereinstimmen müssen, müssen die Oszillatoren mit Quarzgenauigkeit ausgeführt werden. Da aber nur zwei Oszillatorketten für die zweistufige Ablenkermatrix benötigt werden, wird der Aufwand für die Gesamtsteuerung trotzdem gering gehalten. Alle elektronischenSchaltelemente, die für die einzelnen Ablenkstufen erforderlich sind, lassen sich mit einfachen und preiswerten integrierten Schaltungen realisieren.

Für verschiedene Einsatzmöglichkeiten von erfindungsgemäßen Ablenkermatrizen, wie z.B. optische Vermittlungstechnik und holografische Speicher, ist es wünschenswert, eine Fourier-Transformation der abgelenkten Strahlen 7 durchzuführen, wie

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es in Figur 3 dargestellt ist. Zu diesem Zweck ist-zwischen der.Ablenkermatrix 11, 12 und der Ebene,in der die Detektoren 9 angeordnet sind, eine .Sammellinse 8 angeordnet, deren Brennweite f "beträgt und die jeweils im Abstand ihrer Brennweite von der Ablenkermatrix und der Detektorebene entfernt ist. In der Fourierebene, in der die'Detektoren 9 angeordnet sind, treffen sich die in die gleiehe Richtung abgelenkten Strahlen 7 aller' Einzelablenker. Bei einem optischen Vermittlungssystem wird dadurch gewährleistet, daß alle eingehenden Kanäle mit der gleichen Zieladresse, d.h. mit der gleichen Ablenkrichtung, den gleichen abgehenden Kanal treffen, wenn sich die den abgehenden Kanälen zugeordneten Detektoren 9 in. der Fourierebene befinden.

Setzt man die Ablenkermatrix 11, 12 in einem holografischen ί Speicher mit überlagerten Hologrammen ein, und befindet- sieh das Speicherhologramm-in der Pourierebene, so wird durch die Richtung der abgelenkten Strahlen 7 eine "bestimmte Stelle der .Speicherfläche und durch die Lage des Einzelabienkers, die Richtung bestimmt, in der Information ausgelesen oder einge-) schrieben wird. · . ' ,: . ■"..-.

Die erfindungsgemäße zweidimensiP.nale Lichtstrahlablenkermatrix läßt sich also in wenig aufwendiger Weise verwirklichen und durch Kombination mit integrierten elektrooptischen Modulationsmatrizen zu äußerst breitbandigen parallel arbeitenden Vermittlungssystemen kombinieren. Ihre Bandbreite wird nicht- durch die _; Eigenschaften der Einzelabienfcer, sondern nur durch die erreichbare Bandbreite der Modulatoren bestimmi;.

A Patentansprüche
3 Figuren -

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur steuerbaren Richtungsablenkung einer Vielzahl von Lichtstrahlen, insbesondere für breitbandige optische Nachrichtenvermittlungssysteme, mittels akustooptischer Lichtablenker, wobei 3eder·Lichtablenker den auftreffenden Lichtstrahl in mindestens 10 diskrete Ablenkrichtungen ablenken kann, dadurch gekennzeichnet , daß die Lichtablenkung in matrixförmig angeordneten transparenten Lichtablenkern erfolgt, in denen stehende Schallwellen erzeugt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,' daß in den Lichtabienkern eine stehende hochfrequente Ultraschallwelle im Frequenzbereich von 30 bis 200 MHz erzeugt wird, die ein optisches Phasengitter bewirkt.
3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 2, bestehend aus einer Lichtquelle, einer Vielzahl von Modulatoren, die den von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahl mit den Informationen beaufschlagen, einer Vielzahl von akustooptischen Lichtablenkern und einer Vielzahl von Detektoren, dadurch gekennzeichnet , daß

.... die Vielzahl von Lichtablenkern aus einer Matrix von Glas- oder Quarzglaskörpern besteht, deren jeder mit einem Piezokristall derart versehen ist, daß sich in ihm eine senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung- verlaufende stehende Schallwelle ausbilden kann und daß zwischen der Vielzahl der in einer Ebene angeordneten Detektoren und der lichtablenkermatrix eine Strahlformungsoptik angeordnet ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennz ei c h net, daß die Strahlformungsoptik eine Sammellinse mit der Brennweite f ist, die sowohl von der Lichtablenkermatrix als auch von der Detektorebene im Abstand f angeordnet ist.

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