DE2506748A1

DE2506748A1 - Optischer modulator

Info

Publication number: DE2506748A1
Application number: DE19752506748
Authority: DE
Inventors: Safwat George Zaky
Original assignee: Northern Electric Co Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1974-02-18
Filing date: 1975-02-18
Publication date: 1975-08-21
Also published as: JPS50141343A; NL7501837A; CA1003500A; FR2261548A1; DE2506748B2; SE7501808L; FR2261548B1

Description

PATENTANWÄLTE

MANITZ, FINSTERWALD & GRÄMKOW

München, den 18. Februar 1975 P/Ur/Sv-IT 2041

NORTHERN ELEOTRIG COMPAITT LIMITED 1600 Dorchester Boulevard West Montreal, Que., Canada

Optischer Modulator

Die Erfindung betrifft einen optischen Phasen- oder Amplitudenmodulator, der im wesentlichen gegen thermische und Raumladungseffekte immun ist. Der optische Modulator ist insbesondere geeignet zum Gebrauch in optischen Nachrichtenübertragungssystemen oder in optischen Meßgeräten. Er kann auch als intrakavitärer Modulator verwendet werden beim Q-Schaltbetrieb und bei der Modusverriegelung von Laser-Oszillatoren.

In einem typischen optischen Modulator .verläuft ein linear polarisierter Lichtstrahl durch einen elektrooptischen Kristall und einen Analysator. Die optische Achse des Analysators ist senkrecht, während die des elektrooptischen Kristalls mit 4-5° in bezug auf die Einfalls-Polarisationsebene des Lichtstrahls geneigt ist. Der Kristall zeigt eine zweifache Brechung oder

DR. G. MANlTZ · DIPL.-1NG. M. FINSTERWALD DIPL.-ING. W. GRAMKOW ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN

β MÖNCHEN 22. ROBERT-KOCH-STHASSE I 7 STUTTGART SO (BAD CANNSTATT) MÖNCHEN. KONTO-NUMMER 7270

TEL. (089) 2242 II. TELEX 5-29672 PATMF SEELBERGSTR. 23/25. TEL.(07Il)56 72 61 POSTSCHECK: MÖNCHEN 770 62-8O5

509834/0725

Doppelbrechung, wenn er einem starken elektrischen Feld ausgesetzt ist. Die relative Phasenverzögerung zwischen den ordentlichen und außerordentlichen Komponenten der Lichtwellen, die orthogonal bzw. parallel zur optischen Achse des elektrooptischen Kristalls polarisiert sind, ist eine Funktion der elektrischen Feldstärke, die sich aus einer angelegten Spannung ergibt, und auch von anderen Parametern, wie der Temperatur des Kristalls und seiner natürlichen Doppelbrechung .-. Bei gewissen Bedingungen Äihrt. die angelegte Spannung zu einer relativen Phasenverzögerung zwischen den zwei Komponenten, die gleich Null ist oder ein Vielfaches von 2 Jt im Winkelmaß beträgt. In diesem Fall wird die Polarisierung des lichtstrahls beim Durchgang durch den elektrooptischen Kristall nicht beeinflußt und wenn ein perfekter Analysator vorausgesetzt wird, wird der Ausgangsstrahl durch den Analysator vollständig blockiert. Wenn die angelegte Spannung zh einer relativen Phasenverzögerung von einem ungeraden Vielfachen von TT im Winkelmaß zwischen den zwei Komponenten führt, wird der einfallende Lichtstrahl um 90° gedreht und der Lichtstrahl wird vollständig vom Analysator durchgelassen.

In der Praxis konnte weder eine perfekte Blockierung noch ein vollkommener Durchlaß des einfallenden Lichtstrahls erzielt werden; das Verhältnis der maximalen und minimalen Intensitäten des durchgelassenen Lichts wird als Auslöschungsverhältnis bzxv. Extinktionsverhältnis bezeichnet. Bei hohen Modulationsfrequenzen sinkt das Auslöschungsverhältnis aufgrund von zwei Hauptfaktoren ab. Erstens ändert sich das Ausmaß der Doppelbrechung mit der Temperatur des elektrooptischen Kristalls aufgrund von dielektrischen Verlusten im Kristall. Um dieses Problem abzuschwächen, muß die Temperatur des Kristalls innerhalb sehr enger Grenzen gesteuert werden. Z.B. wird in dem Artikel "Terminals for a High-Speed Optical Pulse Code Modulation Communication System: 1,224—Mbit/sec Single Channel" von Richard T. Denton und Tracy S. Kinsel, Proceedings of the IEEE, Band 56, Nr. 2, Februar 1963, Seiten 140-14-5, beschrieben,- daß die Temperatur eines LiTaO-,-

5G9834/Ö725

2509748

Kristalls, der in einem elektrooptischen Modulator verwendet wird, gleichförmig auf + 0,025° C geregelt sein muß, um ein Auslöschungsverhältnis von wenigstens 0,01 (-20 dB) aufrechtzuerhalten. Zweitens ist der elektrooptische Effekt nicht gleichmäßig über den gesamten Querschnitt des Lichtstrahls. Diese Nicht-Gleichförmigkeit wird durch viele Faktoren wie z.B. lokale Veränderungen der Temperatur im Kristall, Inhomogenität des Kristalls und dem Effekt der Raumladungs-Verteilung, die durch das elektrische Feld in einigen Typen von elektrooptischen Kristallen erzeugt wird, hervorgerufen.

Gemäß der Erfindung wird die Phasen-Löschung bzw. Phasen-Aufhebung verwendet, um diese Effekte im wesentlichen zu beseitigen; man stützt sich dabei auf die Transitzeit bzw. Durchlaufzeit, die der Lichtstrahl benötigt, um durch den Modulator zu gelangen, um die notwendige Modulation zu schaffen.

Auf diese Weise wird gemäß der Erfindung ein optischer Modulator geschaffen, mit einer hintereinander geschalteten optischen Kombination bzw. einer optischen Tandem-Kombination aus einem Strahlenteiler zum Abspalten des wiedereintretenden Lichts von dem Licht, das aus einer polarisierten Lichtquelle einfallt, mit einem Vxertelwellenlangenplattchen und einem Spiegel, die zusammen das einfallende Licht reflektieren und eine Phasenverschiebung der Komponenten des Lichtstrahls von 180 hervorrufen, sowie mit einer variablen doppelbrechenden Vorrichtung, die zwischen dem Strahlenteiler und dem Viertelwellenlängenplättchen angeordnet ist, zur Veränderung bzw. Variierung der relativen Phasenlage der ordentlichen und der außerordentlichen Komponenten des polarisierten Lichts, das durch diese Anordnung hindurch übertragen wird. Die gesamte optische Übertragungszeit von der Vorrichtung mit variabler Doppelbrechung durch das Viertelwellenlängenplättchen zum Spiegel und zurück ist wenigstens so groß wie die Zeit, die benötigt wird, um die Doppelbrechung der Vorrichtung zu verändern. Dadurch wird erreicht, daß die resultierende relative

509834/0725

Phasenverschiebung der ordentlichen und der außerordentlichen Komponenten des polarisierten Lichts im Modulator im wesentlichen nur aus der Änderung der Doppelbrechung des Geräts resultiert. Folglich wird eine vollständige Kompensation der Temperatur- und Raumladungseffekte erzielt, vorausgesetzt daß die natürliche Doppelbrechung der Vorrichtung während der Zeitdauer konstant bleibt, die der Lichtstrahl benötigt, um von der doppelbrechenden Vorrichtung durch das Plättchen zum Spiegel und zurück zu gelangen.

In einer besonderen Ausführungsform ist die optische Achse der Vorrichtung in einem Winkel von If /H- im Winkelmaß in bezug auf diejenige der Quelle und des Viertelwellenlängenplättchens orientiert. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die doppelbrechende Vorrichtung ein elektrooptischer Kristall und der Strahlenteiler ist ein Polarisations-Separator, dessen optische Einfalls-Achse parallel zu der einer linear polarisierten Quelle angeordnet ist, so daß nur die Komponente des wiedereintretenden Lichts, die orthogonal zum einfallenden Licht ist, wieder austreten kann, wodurch am Ausgang des optischen Modulators ein amplitudenmoduliertes Licht zur Verfügung steht.

Die Erfindung betrifft also einen optischen Modulator, in dem ein polarisierter Lichtstrahl nach einer relativen 180°-Phasenverschiebung zwischen der ordentlichen und der außerordentlichen Komponente des Strahls durch sein optisches Modulationselement zurückreflektiert wird, um jede Modulation aufzuheben, die durch thermische oder Raumladungseffekte hervorgerufen ist. Um eine Modulation zu erhalten, wird die Doppelbrechung des Modulationselements während der endlichen Übertragungszeit des Modulators verändert. Auf diese Weise verursacht nur die dynamische Doppelbrechung des Elements eine Modulation, nicht jedoch deren statischer Wert.

509834/0725

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt:

IFig. 1 eine bildhafte Darstellung eines optischen Modulators gemäß der Erfindung, und

Fig. 2 eine zeitliche Folge von Lichtvektoren in verschiedenen Abschnitten des in Fig. 1 dargestellten optischen Modulators.

Wie in der Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt der optische Modulator die optische Tandem-Kombination bzw. die hintereinander geschaltete optische Kombination eines Polarisationsseparators 10 (der als Strahlenteiler wirkt), dessen Ausgang mit einem elektrooptischen Kristall 11 gekoppelt ist (der als Vorrichtung mit variabler Doppelbrechung wirkt, wenn er durch einen Modulationstreiber 12 angetrieben ist). Der Ausgang des Kristalls 11 passiert ein Viertelwellenlängenplättchen 13 und trifft auf einen totalreflektierenden dielektrischen Spiegel 14. Während des Betriebs ist der optische Modulator mit einer Quelle von polarisiertem Licht verbunden, die aus einer Lichtquelle 15 besteht, deren Ausgang bzw. deren Ausgangssignal durch einen Polarisator 15 geführt wird. Wie in der Fig. 1 dargestellt, ist die Orientierung der optischen Achse des elektrooptischen Kristalls 11 in bezug auf diejenige des Polarisators 16 und des Viertelwellenlängenplättchens 15 mit 45 geneigt. Die optische Einfallsachse des Polarisationsseparators 10 ist parallel zu der des Polarisators 16, während seine optische Wiedereintrittsachse orthogonal bzw. senkrecht zu der des Polarisators 16 steht. Die geometrische Zuordnung jedes der Vektordiagramme der Fig. 2 ist durch ein entsprechendes Bezugszeichen in Fig. 1 dargestellt.

Beim Betrieb des optischen Modulators wird ein Lichtstrahl von der Quelle 15 durch den Polarisator 16 geführt, um einen vertikal polarisierten Lichtstrahl 17 zu erhalten. Der einfallende

509834/0725

Lichtstrahl 17 wird durch den Polarisationsseparator 10 geführt, auf den der elektrooptisch^ Kristall 11, das Viertelwellenlängenplättchen 13 und der dielektrische Spiegel 14 folgen. Der durch den Spiegel 14 reflektierte Strahl 17 läuft rückwärts durch das Viertelwellenlängenplättchen 13» den elektrooptischen Kristall 11 und tritt dann wieder in den Polarisationsseparator 10 ein. Diejenigen Komponenten des wiedereintretenden Strahls, die horizontal polarisiert sind, werden nach unten reflektiert und treten als modulierter Ausgangs-Lichtstrahl 18 aus, während hingegen die vertikal orientierten Komponenten zurück zur Quelle 15 übertragen werden.

Wie im Diagramm A der Fig. 2 dargestellt ist, passiert das linear polarisierte, vertikal orientierte Licht vom Polarisator 16 den Polarisationsseparator 10 und ist mit den Einfalls-Vektoren I. und Ip dargestellt, die durch eine Phasenverschiebung von /T im Winkelmaß getrennt sind. Die Vektoren Z. und Ip können in die Vektoren 0., E. und Op, E₂ aufgelöst werden, die parallel zu den Achsen des Kristalls 11 liegen. Wenn zu einem vorgegebenen Zeitpunkt eine bestimmte Spannung vom Modulationstreiber 12 an den elektrooptischen Kristall 11 angelegt wird, werden die ordentlichen Strahlen 0. und 0~ aus dem Kristall 11 mit einer Phasenverschiebung <f in bezug auf die außerordentlichen Strahlen E. bzw. Ep austreten, wie im Diagramm B der Fig. 2 gezeigt ist. Die ordentlichen Komponenten 0^, 0., O₁- und 0_r, sowie die außerordentlichen Komponenten E₇,, E^, E_n- und E,- dieser Strahlen fallen auf das Viertelwellenlängenplättchen 13 ein, wobei die ersteren mit einer zusätzlichen Phasenverschiebung von W /2 im Winkelmaß in bezug auf die letzteren austreten, wie im Diagramm G der Fig. 2 dargestellt ist. Nach erfolgter Reflexion am dielektrischen Spiegel 14 nehmen die verschiedenen Komponenten O₇., 0., Oc-, Og, E,, E^, E₁- und Eg die im Diagramm D der Fig. 2 dargestellte Phasenbeziehung zueinander ein. Nach erneutem Durchgang durch das Viertelwellenlängenplättchen 13 tritt eine zusätzliche Phasenverschiebung von Tf/2 im Winkelmaß auf, so daß die Komponenten 0-,

509834/072S

— ι —

und O. nun jeweils in Phase mit den zugehörigen Komponenten E_r und Ep- sind. Die Vektorkomponenten O^ und Oo sind ebenfalls um 'Jf im Winkelmaß verzögert worden, so daß sie nun in Phase mit den jeweils zugehörigen Vektorkomponenten E₇ und E₂, sind. Die verschiedenen Vektoren können in die Vektoren Oq, O ., E.q und Έ.. aufgelöst werden, die wiederum eine Phasenverzögerung von cf im Winkelmaß zueinander aufweisen, wie im Diagramm E der Fig. 2 dargestellt ist. Es wird jedoch vermerkt werden, daß diese Vektoren um 180° in der Phase von denjenigen des Diagramms B verschoben sind und in der entgegengesetzten Richtung wandern.

Wenn man annimmt, daß keine Änderung der Doppelbrechung des elektrooptischen Kristalls 11 aufgetreten ist, erleiden die Vektoren O._Q und O . wiederum eine Verzögerung d , wenn sie durch den Kristall 11 hindurchgehen und treten folglich in Phase mit den Vektoren Eq bzw. E,- aus, wie im Diagramm F der Fig. 2 dargestellt ist. Diese Vektoren können dann in die resultierenden vertikal polarisierten Vektoren R. und Rp aufgelöst werden. Die resultierende Wirkung der Kombination des elektrooptischen Kristalls 11, des Viertelwellenlängenplättchens 13 und des Spiegels 14- ist äquivalent zu einem Halbwellenplättchen, das mit seiner optischen Achse parallel zu der optischen Achse des Viertelwellenlängenplättchens 13 orientiert ist. Diese Wirkung ist vollständig unabhängig von der Phasenverschiebung cf , die durch den elektrooptischen Kristall 11 bewirkt wird, gleichgültig ob diese Verzögerung auf die natürliche oder induzierte Doppelbrechung zurückzuführen ist.

Zur Erzielung einer Modulation des Lichtstrahls 17 nutzt der optische Modulator die endliche Zeit aus, die für den Durchlauf vom elektrooptischen Kristall 11 zum Spiegel 14 und zurück benötigt wurde. Wenn also, während des Zeitintervalls, das die Lichtwellen benötigen, um zwischen den Orten der Diagramme B und E zu wandern, die an den elektrooptischen Kristall 11 durch den Modulationstreiber 12 angelegte Spannung verändert wird, wird • die Phasenverschiebung S beim Rücklaufdurchgang durch den Kristall 11 unterschiedlich sein von der Phasenverschiebung beim erstmaligen

S09834/072S

Durchgang. Folglich werden die Vektoren Oq und 0.. nicht mehr in Phase mit den Vektoren E._Q und E.. sein, wie im Diagramm F dargestellt ist, und die resultierenden Vektoren R, und R~ werden nicht mehr vertikal orientiert sein. Nach dem Wiedereintreten in den Polarisationsseparator 10 werden die horizontalen Komponenten der resultierenden Vektoren R. und Rp nach unten reflektiert und bilden so einen amplitudenmodulierten Lichtstrahl 18, während die vertikale Komponente rückwärts in Richtung auf die Quelle 15 übertragen wird. Bei den obigen Auiührungen wurde angenommen, daß die Zeit, die der Lichtstrahl 17 benötigt, um durch den elektrooptischen Kristall 11 zu wandern, vernachlässigbar ist verglichen mit der Zeit, die er benötigt vom Kristall 11 zum Spiegel 14 und zurück zu gelangen.

Es soll jedoch vermerkt werden, daß dieses Verfahren auch in Situationen anwendbar ist, in denen die obengenannte Bedingung nicht vorausgesetzt werden kann.

Aus der Fig. 2 ist zu ersehen, daß die resultierende Phasenmodulation des resultierenden Lichtstrahls 18 einzig und allein durch die Veränderung der Doppelbrechung des elektrooptischen Kristalls 11 während der Zeit, die der Lichtstrahl benötigt, um vom Kristall 11 zum Spiegel 14 und zurück zu wandern, bewirkt wird. Jede Veränderung der Doppelbrechung, die über längere Zeitspannen als die genannte auftreten werden zur resultierenden Phasenverzögerung des reflektierten Strahls 18 nicht beitragen. Für praktikable Entfernungen zwischen dem elektrooptischen Kristall 11 und dem Spiegel 14 ist dieses Zeitintervall viel kleiner als die Zeitkonstante, die mit thermischen und Raumladungseffekten im elektrooptischen Kristall 11 verbunden ist. Folglich werden die thermischen und Raumladungseffekte im wesentlichen kompensiert und haben keine resultierende Einwirkung auf die Phasenverzögerung des AusgangsStrahls 18. Bei einer typischen Anordnung beträgt die maximale Zeit, die erforderlich ist, um die Doppelbrechung des Kristalls 11 durch (fen Modulationstreiber zu verändern, 10 Nanosekunden und der Abstand zwischen dem

S09834/0725

Kristall 11 und dem Spiegel 14 beträgt etwa 1,5 Meter.

Es ist offenkundig, daß andere Formen von Vorrichtungen mit veränderbarer Doppelbreellung wie a.B. magneto-optische Zellen anstelle des elektrooptischen Kristalls 11 eingesetzt werden können. Zudem reflektiert der Polarisationsseparator 10 nur die horizontale Komponente des reflektierten Lichtstrahls 13. Durch die ersatzweise Verwendung eines nichtpolarisierenden Strahlenteilers, wie eines partialreflektierenden Spiegels, wird der Ausgangsstrahl 18 anstelle einer Amplitudenmodulation phasenmoduliert werden. Wenn bei Verwendung des Polarisationsseparators die Veränderung der an den elektrooptischen Kristall 11 angelegten Spannung ausreichend groß ist, um eine 90°-Phasenverschiebung des reflek-1ß

1ß.

tierten Strahls/in bezug auf den einfallenden Strahl 17 hervorzurufen, wird eine Impulsmodulation erhalten. Die Erfindung ist auch nicht auf linear polarisiertes Licht begrenzt und die Achsen der verschiedenen Komponenten müssen nicht wie in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 orientiert sein. Diese Anordnungen werden zu verschiedenen Formen von elliptischer Polarisation führen, wie dies nach dem Stand der Technik wohlbekannt ist.

mit dem ViertelweiienläO^plätfcdien Zudem soll vermerkt werden, daß die Kombination des Spiegels 14/ durch andere optische Komponenten ersetzt werden könnte, die die notwendige Phasenverschiebung bewirken und eine Zeitverzögerung hervorrufen, um die physische bzw. geometrische Größe des Modulators zu vermindern.

- Patentansprüche -

509834/0725

Claims

Patentanspruch

Optischer Modulator zum Anschluß an eine Quelle von linear polarisiertem Licht, mit einer hintereinander geschalteten optischen Kombination, einem Strahlenteiler zum Abspalten des wiedereintretenden linear polarisierten Lichts von dem auf den Strahlenteiler einfallenden linear polarisierten Licht, mit einem Spiegel und mit einer Vorrichtung mit variabler Doppelbrechung, die zwischen dem Strahlenteiler und dem Spiegel gelegen ist, dadurch ge.kennzeichnet, daß ein Viertelwellenläiigenplättchen (13) zwischen der Vorrichtung mit variabler Doppelbrechung (11) und dem Spiegel (14-) gelegen ist, daß die optische Achse der Vorrichtung mit variabler Doppelbrechung (11) in einem Winkel von 7Γ/4 im Winkelmaß in bezug auf diejenige der Quelle des linear polarisierten Lichts und des Viertelwellenlängenplättchens (13) angeordnet ist, daß die gesamte optische Übertragungszeit von der Vorrichtung mit variabler Doppelbrechung (11), durch das Viertelwellenlängenplättchen (ip) zum Spiegel (14) und wieder zurück wenigstens so groß ist, wie die Zeit, die erforderlich ist, um die Doppelbrechung der Vorrichtung Cu) zu verändern, und daß dadurch die relative Phasenverschiebung der ordentlichen und der außerordentlichen Komponenten des polarisierten Lichts im Modulator im wesentlichen nur durch die Veränderung der Doppelbrechung der Anordnung (11) hervorgerufen ist.

509834/0725

Leerseite