DE2443733A1 - Anordnung zur modulation von licht - Google Patents

Anordnung zur modulation von licht

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DE2443733A1 DE19742443733 DE2443733A DE2443733A1 DE 2443733 A1 DE2443733 A1 DE 2443733A1 DE 19742443733 DE19742443733 DE 19742443733 DE 2443733 A DE2443733 A DE 2443733A DE 2443733 A1 DE2443733 A1 DE 2443733A1
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Description

SIEI-JENS AKTlENCESELLSCHAFT München ,12.9.1974 Berlin und München Wittelsbacherplatz 2
YPA 74/7172
Anordnung zur Modulation von Licht
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Modulation von polarisiertem Licht in einem elektrooptischen Kristall mit mehreren über diesem angeordneten Elektrodenstreifcoi,d.ie wechselweise mit je einem Pol einer Spannungsquelle verbunden sind.
Eine derartige Anordnung ist von de Bsrros et al in einem in Proc. IEE, Vol. 119, Nr. 7, 1972, Seiten 807 bis 814 abgedruckten Aufsatz beschrieben worden. Dort sind sur Modulation von Licht Elektrodenstreifen auf einem elektrooptischen Kristall angeordnet, deren Längsachse mit der Ausbreitungsrichtung des Lichtes übereinstimmt. D.iese Anordnung arbeitet nach dem Prinzip der Beugung.Sie erlaubt zwar hohe Mod.ulat:lonsgeschvin~ digkeiten,weist aber einen relativ niedrigen Modulationswir·- kungsgrad auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung sur Modulation von Licht mit einem hohen Modulationswirkungsgrad zu schaffen. ■ ,
Diese Aufgabe wird für die Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der elektrooptisch Kristall mit einem Brechungsindex nyi- q zur Erzeugung einer Wellenleitung integriert auf einem Substrat mit einem Brechungsindex iig< τίγ Q angeordnet ist und auf der dem Substrat abge™ wandten Oberfläche des Kristalls durch eine dielektrische Zwischenschicht mit einem Brechmigsindex n„< ru n abgedeckt
VPA 9/710/4046
WR/Hth
609813/0534 ολ<^ -2
ist, daß die Elektrodenstreifen derart auf dem elektrooptischen Kristall angeordnet sindj, daß in diesem beim Anlegen einer Modulationsspannung an die Elektrodenstreifen elektrische Felder entstehen, welche parallel zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes im elektrooptischen Kristall gerichtet sind und. durch welche Brechungsindezänderungen erzeugt werden, daß alle Elektrodenstreifen eine Breite aufweisen, welche gleich einem ganzsahligen Vielfachen von Ht der Ausbreitungsphase eines Wellenleitermodes ist. Das auf den elektrooptischen Kristall auftreffende polarisierte Licht durchläuft diesen im feldfreien Zustand ungehindert, Wird jedoch an die Elektrodenstreifen eine Spannung angelegt, so v/erden unter diesen im Kristall parallel zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes in aufeinanderfolgend entgegengesetzten Richtungen elektrische Felder erzeugt,- welche Brechungsindesvariationen hervorrufen«, Hier wird das den Kristall durchlaufende Licht mehrfach reflektiert. Wenn die Breiten der Elektrodenstreifen gleich einem ganzzahligen Vielfachen.jvon τ der Ausbreitungsphase eines Wellenleitermodes sind und die Abstände der Elektrodenstreifen in Abhängigkeit von den Wellenlängen der zu modulierenden Lichtanteile nach bekannten wellenoptischen Gesetzen vorgegeben v/erden, kommt es zwischen den einzelnen Lichtanteilen zu Interferenzen» Dadurch können alle Varianten zwischen einer maximalen Transmission und. völliger Auslöschung der Lichtintensität vorgegeben werden.
Die elektrooptisch bewirkten Brechungsindexvariationen sind für unterschMliche elektrooptisch Kristalle unterschiedlich
YPA 9/710/4046 ". -3
_3_ 2U3733
hoch. Bei kleinen Brechungsindexvariationen werden als Materialien für das Substrat, auf welchem der elektrooptische Kristall angeordnet ist, und für die dielektrische Zwischenschicht über dem elektrooptischen Kristall solche mit einem Brechungsindex n« bzw. iir, gewählt, welche geringfügig kleiner sind als der wirksame Brechungsindex des elektrooptischen Kristalls. Dadurch wird eine bessere Funktionsfähigkeit der Modulationsanordnung erreicht.
Damit die Änderung der Lichttransmission durch den Kristall als Funktion der Spannungsänderung an den Elektrodenstreifen möglichst groß ist, werden diese insbesondere an eine Vorspannungsquelle angeschlossen.
Als elektrooptischen Material kann insbesondere entweder ein fester Kristall oder euch ein flüssiger Kristall verwendet werden. Im letzteren Falle werden an seinen Lichtdurchtrittsflächen lichtdurchlässige Abstandshalter angeordnet.
Die zu verwendenden nematischen flüssigen Kristalle verhalten
sich optisch wie einachsige Kristalle mit positiver Doppel- ·
brechung, d.h. ihre optischen Achsen verlaufen parallel zu :
don Moleküllängsachsen. Nematische Flüssigkristalle weisen |
eine Anisotropie der Dielektrizitätskonstanten Δ?^ε -ε auf. j
£ und f. bedeuten hier die Dielektrizitätskonstanten parallel j
/( JL j
baw. senkrecht zu den MolekUllängsachsen. Ein nematischer I flüssiger Kristall mit einer negativen Anisotropie der Di- j elektrizitätskonstonten (Δϊ··= s||-iJ_<o) wird in einem elektrischen Feld zwischen die beiden Elektroden von einer bestimmten
VPA 9/T10/4046 ««»"13/053* _4_
Spannung ab deformiert, was zu einer Änderung der Brechungsindizes des flüssigen Kristalles führt. An den Grenzflächen zwischen denfeldlurchfluteten und feldfreien Bereichen treten deshalb wie bei einem festen elektrooptischen Kristall Brechungsindexstufen auf. Bei einem nematischen flüssigen Kristall sind diese durch ein elektrisches Feld erzeugten Brechungsindexstufen um einige Zehnerpotenzen größer als bei einem festen elektrooptischen Kristall.
Mit einer derartigen Anordnung können insbesondere codemodulierte Signale zur Nachrichtenübertragung erzeugt werden. Sie kann ebenfalls als gesteuertes Filter benutzt v/erden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert.
Die Figuren 1 und 2 zeigen im Querschnitt bzw. in Draufsicht eine erfindungsgemäße Anordnung.
Figur 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Orientierung des elektrooptischen Kristalls auf dem Substrat und Figur 4 ein Diagramm mit dem Verlauf der Brechungsindizes.
In den Figuren 1 und 2 ist auf einem Substrat ί aus Glas ein elektrooptisch^ Kristall 2 aufgebracht, der durch ein dielektrisches Material 3 abgedeckt ist. Auf diesem sind fingerförmige Elektroden 5 bis 8 angeordnet«, wobei 'jede zweite Elektrode (5,7) bzw. (6,8) miteinander verbunden sind und über je
VPA 9/710/4046 R
eine elektrische Leitung 9 bzw. 10 einer Modulationsspannungsquelle 11 zugführt v/erden. Durch diese Anordnung der Elektrodenstreifen werden im elelctrooptischen Kristall 2 in der Richtung 4 des diesen Kristall durchlaufenden Lichtes und in der entgegengestzten Richtung elektrische Felder erzeugt. Dadurch wird im elektrooptischen Kristall ein stufenförmiges Brechungsindexprofil erzeugt. An diesen Stufen wird das von links einfallende Licht reflektiert.
Bei dem elektrooptischen Kristall 2 handelt es sieh entweder um ein festes Material, z.B. KDP oder um eine nematische flüssige Kristallschicht mit einer Dicke von wenigen Mikrometern. In dem letzteren Falle muß diese an den Orten und 13 durch nicht eingezeichnete Abstandshalter begrenzt werden«,
Die Anordnung möge der Pulscodemodulation von optischen Nachrichten dienen. Das von links auf den elektrooptischen Kristall auftreffende Licht ist polarisiert und monochromatisch. Die Breiten der Elektrodenstreifen 5 bis 8 sowie deren Abstände voneinander sind in Abhängigkeit von-der Wellenlänge des Lichtes so gewählt, daß beim Vorliegen einer elektrischen Spannung an den Elektrodenstreifen das Licht durch Interferenz völlig ausgelöscht wird. Erst nach Abschalten der Spannung wird die Anordnung transparent.
Um die Modulationsspannung möglichst niedrig halten zu können, ist eine Yorspannungsquelle 14 eingebaut.
TPA 9/710/4046 · -6-
609813/0534
Ein fester elektrooptischer Kristall 2 der Klasse 42 m, z.B. KDP, wird gemäß Figur 3 so aus einem Kristallblock herausgeschnitten j daß sich in ihm das Licht in x3~Richtung fortpflanzt. Die Normalenrichtung^auf dem Kristall stimmt in der x1 x2-Ebene entweder mit der Winkelhalbierenden zwischen der x1~ und der x2~Achse oder mit der Winkelhalbierenden zwischen der x1- und der x2~-Achse überein» In diesen Fällen wird die größte elektrooptisch^ Änderung des Brechungsindex erzielt.
Im folgenden wird anhand der Figur 4 der Verlauf der Brechungsindizes eines elektrooptischen Kristalles, des Substrates und.des dielektrischen Materials beschrieben.
In dem Diagramm der Figur 4 sind die Brechungsindizes über den Orten χ im elektrooptischen Kristall dargestellt. Im feldfreien Zustand weist der Kristall einen Brechungsindex η,,. Q über die gesamte vom Licht durchlaufene Länge auf. Die Brechungsindizes des Substrates n„ und des dielektrischen Zwischenmaterials nz sind beide etwas kleiner, so daß für das den elektrooptischen Kristall durchlaufende Licht eine Wellenleitung besteht. Beim Yorliegen der aufeinanderfolgend in;unterschiedlichen. Richtungen liegenden elektrischen Felder bewirkt der longitudinal© elektrooptischo Effekt» daß an Vorgegebenen Stellen im Kristall die Brechungsindizes um +Δη geändert werden. An diesen Brechungsindexänderungen wird das Licht reflektiert. Wenn die Differenz der Brechungsindizes (ng. Q - ns)b2w."(nK 0 - nz)kleiner alsAriistj, dann entstehen in Lichtausbreitungsrichtung Brechzahlprofile, bei
VPA 9/710/4046
■~7~ 2U3733
■welchen das den Kristall durchlaufende Licht infolge Leckwellenstrahlung nach außen verlorengeht. Dies erhöht die Undurchläßigkeit des Kristalles im felddruchflutenden Zustand.
Abschließend sei bemerkt, daß durch Torgabe der Breiten und Abstände der Elektrodenstreifen 5 bis 8 im felddurchflutenden Zustand auch eine vorgegebene Intensitätsänderung zwischen J min > 0 und J max des durchlaufenden Lichtes erreicht werden kann.
4 Figuren
7 Patentansprüche
6Ü9813/0534

Claims (7)

  1. Patentansprüche
    15/ Anordnung zur Modulation von polarisiertem Licht in einem elektrooptischen Kristall auf mehreren über diesen angeordneten Elektrodenstreifen, die wechselweise mit je einem Pol einer Spannungsquelle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet , daß der elektrooptische Kristall mit einem Brechungsindex nK 0 zur Erzeugung einer Wellenleitung integriert auf auf einem Substrat mit einem Brechungsindex ns<nK Q angeordnet ist und auf der dem Substrat abgewandten Oberfläche des Kristalls durch ein dielektrisches Zwischenmaterial mit einem Brechungsindex n„ -^ n^ q abgedeckt ist, daß die Elektrodenstreifen derart auf dem elektrooptischen Kristall angeordnet sind, daß in diesem beim Anlegen einer Modulationsspannung an die Elektrodenstreifen elektrische Felder entstehen, welche parallel zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes im elektrooptischen Kristall gerichtet sind und durch welche Brechungsindexänderungen " erzeugt werden, daß olle Elektrodenstreifen eine Breite aufweisen, welche gleich einem ganzzahligen Vielfachen von Te der Ausbreitungsphase eines Wellenleitermodes ist.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß an den Elektrodenstreifen eine Gleichspannung als Vorspannung anliegt.
    -9-6U3813/0534 or1®^äl *nspected
    -9- 24A3733
  3. 3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet , daß der elektrooptische Kristall ein fester Kristall ist.
  4. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net , daß der elektrooptische Kristall derart aus einem Kristallblock herausgeschnitten und auf einem Substrat orientiert angeordnet ist, daß sich ein Wellenleitermode des Lichtes in x3-Richtung fortpflanzt und daß die Nonnalenrichtung au auf dem Wellenleiter in der x1 x2-Ebene entweder mit der Winkelhalbierenden zwischen der x1- und der x2-Achse oder mit der Winkelhalbierenden zwischen der _x1~ und der x2-Achse übereinstimmt.
  5. 5. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der elektrooptische Kristall ein flüssiger Kristall ist, der in seinen Lichtdurchtrittsflachen durch lichtdurchlässige Abstandshalter begrenzt ist.
  6. 6. Verwendung der Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5 als Amplitudenmodulator.
  7. 7. Verwendung der Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5 als gesteuertes Filter.
    Le e rs β s te
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