DE2506748B2 - Optischer modulator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Modulator turn Anschluß an eine Quelle von linear polarisiertem Licht, mit einer hintereinander geschalteten optischen Kombination mit einem Strahlenteiler zum Abspalten des wiedereintretenden linear polarisierten Lichts von dem auf den Strahlenteiler einfallenden linear polarisierten Licht, mit einem Spiegel, der den Lichtstrahl in sich zurücklenkt, und mit einer Vorrichtung mit steuerbar variabler Doppelbrechung, die zwischen dem Strahlenteiler und dem Spiegel gelegen ist.

Ein optischer Modulator, bei dem der einfallende Lichtstrahl von einem Spiegel in sich zurückreflektiert wird, ist in der Veröffentlichung »Lithium Tantalate Light Modulators« in Journal of Applied Physics, Band 38, Nr. 4, 1967, Seiten 1611 bis 1617, beschrieben. Wie insbesondere auf Seite 1616 mit Bezug auf die Fig. 8 erläutert ist, kann bei einem solchen Modulator mit zurückreflektiertem Strahlengang die erforderliche Modulationsspannung bei gleichem Modulationsgrad auf die Hälfte reduziert werden, im Vergleich zu Modulatoren, bei denen der Lichtstrahl den Modulator nur in einer Richtung durchläuft. Weiter wird dazu ausgeführt, daß bei dem betrachteten Modulatoraufbau besonders auf die Temperaturstabilisierung geachtet werden muß.

Modulatoren der eingangs genannten Art sind besonders zum Gebrauch in optischen Nachrichtenübertragungssystemen oder in optischen Meßgeräten geeignet. Sie können auch als intrakavitäre Modulatoren beim Q-Schaltbetrieb und bei der Modusverriegelung von Laser-Oszillatoren verwendet werden. Bei einem typischen optischen Modulator gemäß dem Stand der Technik verläuft ein linear polarisierter Lichtstrahl durch einen elektrooptischen Kristall und einen Analysator. Die optische Achse des Analysator ist senkrecht angeordnet, während dk des elektrooptischen Kristalls mit 45° in bezug auf die Einfalls-Polarisationsebene des Lichtstrahls geneigt ist. Der Kristall bewirkt eine Doppelbrechung, wenn er einem starken elektrischen Feld ausgesetzt ist. Die relative Phasen-

verzögerung zwischen den ordentlichen und den 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 der

^ao angelegten Spannung ergibt, und auch von anderen Parametern, wie der Temperatur des Kristalls und seiner natürlichen Doppelbrechung. Bei bestimmten Bedingungen führt die angelegte Spannung zu einer relativen Phasenverzögerung zwischen den zwei Kompo-

»5 nenten, die gleich Null ist oder ein Vielfaches von 360° beträgt. In diesem Fall wird die Polarisierung des Lichtstrahls beim Durchgang durch den elektrooptischen Kristall nicht beeinflußt und bei Vorliegen eines perfekten Analysators wird der Ausgangs-

strahl durch den Analysator vollständig blockiert. Wenn die angelegte Spannung zu einer relativen Phasenverzögerung von einem ungeraden Vielfachen von 180° zwischen den zwei Komponenten führt, wird der einfallende Lichtstrahl um 90° gedreht und vollständig vom Analysator durchgelassen.

In der Praxis konnte weder eine perfekte Sperrung noch ein vollkommener Durchlaß des einfallenden Lichtstrahls erzielt werden; das Verhältnis der maximalen und minimalen Intensitäten des durchgelasse-

♦0 nen Lichts wird als Auslöschungsverhältnis bzw. Extinktionsverhältnis bezeichnet. Bei hohen Modulationsfrequenzen sinkt das Auslöschungsverhältnis auf Grund von zwei Hauptfaktoren ab. Erstens ändert sich das Ausmaß der Doppelbrechung mit der Temperatur des elektrooptischen Kristalls auf Grund von dielektrischen Verlusten im Kristall. Um dieses Problem abzuschwächen, muß die Temperatur des Kristalls innerhalb sehr enger Grenzen gesteuert werden. Beispielsweise wird in dem Artikel »Terminals for a

High-Speed Optical Pulse Code Modulation Communication System: 1,224-Mbit/sec Single Channel« von Richard T. Den ton und Tracy S. K ins el, Proceedings of The IEEE, Band 56, Nr. 2, Februar 1968, Seiten 140 bis 145, beschrieben, daß die Temperatur eines LiTaO,-Kristalls, der ic einem elektrooptischen Modulator verwendet wird, gleichförmig auf ± 0,025° C geregelt sein muß, damit ein Auslöschungsverhältnis von wenigstens 0,01 (- 20 dB) aufrechterhalten werden kann. Zweitens ist der elektrooptische Effekt nicht gleichmäßig über den gesamten Querschnitt des Lichtstrahls. Diese NichtGleichförmigkeit wird durch viele Faktoren wie z.B. lokale Veränderungen der Temperatur im Kristall, Inhomogenität des Kristalls und durch den Effekt der Raumladungs-Verteilung, die durch das elektrische Feld in einigen Typen von elektrooptischen Kristallen erzeugt wird, hervorgerufen.

Demgemäß besteht die der Erfindung zugrundelie-

gende Autgabe darin, einen optischen Modulator der eingangs genannten Gattung zu schaffen, dessen Ansprechverhalten unempfindlicher gegenüber relativ zum Signal nur langsam veränderlichen Störungen ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Viertelwellenlängenp'iättchen zwischen der Vorrichtung mit variabler Doppelbrechung und dem Spiegel gelegen ist, daß die Richtung der optischen Doppelbrechungsachse der Vorrichtung mit variabler Doppelbrechung um einen Winkel voa 45° gegenüber denjenigen der Polarisation des von der Lichtquelle ausgehenden Lichts und der Doppelbrechungsachse des Viertelwellenlängenplättchens gedreht ist, und daß die gesamte optische Übertragungszeit von der Vorrichtung mit variabler Doppelbrechung zum Spiegel und wieder zurück wenigstens so groß ist wie die Zeit, die erforderlich ist, um die Doppelbrechung der Vorrichtung durch die Steuersignale zu verändern.

Dabei wird vom Viertelwellenlängenpiättchen und dem Spiegel, die zusammen das einfallende Licht reflektieren, eine Phasenverschiebung der Komponenten des Lichtstrahls um 180° hervorgerufen. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird erreicht, daß die resultierende relative 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, wenn vorausgesetzt wird, daß die natürliche Doppelbrechung der Vorrichtung während derjenigen Zeitdauer konstant bleibt, die der Lichtstrahl benötigt, um von der doppelbrechenden Vorrichtung durch das Plättchen zum Spiegel und zurück zu gelangen. Es verursacht also nur die dynamische Doppelbrechung der Vorrichtung mit variabler Doppelbrechung eine Modulation und nicht auch deren statischer, durch die genannten Effekte langsam veränderlicher Wert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Vorrichtung mit variabler Doppelbrechung ein elektrooptischer Kristall und der Strahlenteiler ein Polarisationsseparator ist, dessen Polarisations-Achse parallel zur Polarisationsrichtung des von der Quelle ausgesandten linear polarisierten Lichts angeordnet ist. Dadurch erreicht man, daß nur die Komponente des wiedereintretenden Lichts, die orthogonal zum einfallenden Licht ist, wieder austreten kann, so daß am Ausgang des optischen Modulators ein amplitudenmoduliertes Licht zur Verfügung steht.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigi

Fig. 1 eine bildhafte Darstellung des optischen Modulators, 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 Viertelwellenlängenpiättchen 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 16 geführt wird. Wie in der Fig. 1 dargestellt, ist die Orientierung der optischen Achse des elektrooptischen Kristalls 11 in bezug auf

ίο diejenige des Polarisator 16 und des Viertelwellenlängenplättchens 13 mit 45° geneigt. Die optische Einfallsachse des Polarisationsseparators 10 ist parallel zu der des Polarisators 16, während seine optische Wiedereintrittsachse 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

ao 16 geführt, um einen vertikal polarisierten Lichtstrahl 17 zu erhalten. Der einfallende Lichtstrahl 17 wird durch den Polarisationsseparator 10 geführt, auf den der elektrooptische Kristall 11, das Viertelwellenlängenpiättchen 13 und der dielektrische Spiegel 14 fol-

»5 gen. Der durch den Spiegel 14 reflektierte Strahl 17 läuft rückwärts durch das Viertelwellenlängenpiättchen 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 /, und I₂ dargestellt, die durch eine Phasenverschiebung von π im Winkelmaß getrennt sind. Die Vektoren /, und I₂ können in die Vektoren O₁, E₁ und O₂, 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 O, und O₂ aus dem Kristall 11 mit einer Phasenverschiebung ό in bezug auf die außerordentlichen Strahlen E_x bzw. E₂ austreten, wie im Diagramm B der Fig. 2 gezeigt ist. Die ordentlichen Komponenten O₃, O₄, O₅ und O₆, sowie die außerordentlichen Komponenten E₃, E₄, E₅ und E₆ dieser Strahlen fallen auf das Viertelwellenlängenpiättchen 13 ein, wobei die ersteren mit einer zusätzlichen Phasenverschiebung von π/2 im Winkelmaß in bezug auf die letzteren austreten, wie im Diagramm C der Fig. 2 dargestellt ist. Nach erfolgter Reflexion am dielektrischen Spiegel 14 nehmen die verschiedenen Komponenten O₃, O₄, O₅, O₆, £,, E₄, E₅ und E₆ die im Diagramm D der Fig. 2 dargestellte Phasenbeziehung zueinander ein. Nach erneutem Durchgang durch das Viertelwellenlängenpiättchen 13 tritt eine zusätzliche Phasenverschiebung von π/2 im Winkelmaß auf, so daß die Komponenten O₃ und O₄ nun jeweils in Phase mit den zugehörigen Komponenten E₅ und E₆ sind. Die Vektorkomponenten O₇ und O₈ sind ebenfalls um π im Winkelmaß verzögert worden, so daß sie nun in Phase mit den jeweils zugehörigen Vektorkomponenten E₃ und E₄ sind. Die verschiede-

Ub /4Ö

nen Vektoren können in die Vektoren O₁₀, O_n, E₁₀ und E₁1 aufgelöst werden, die wiederum eine Phasenverzögerung von δ 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 O₁₀ und O₁₁ wiederum eine Verzögerung ö, wenn sie durch den Kristall 11 hindurchgehen und treten folglich in Phase mit den Vektoren E₁₀ bzw. E₁, auf, wie im Diagramm F der Fig. 2 dargestellt ist. Diese Vektoren können dann in die resultierenden vertikal polarisierten Vektoren A₁ und R₁ aufgelöst werden. Die resultierende Wirkung der Kombination des elektrooptischen Kristalls 11, des Viertelwellenlängenplättchens 13 und des Spiegels 14 ist äquivalent zu einem HaIbwellenplättchen, das mit seiner optischen Achse parallel zu der optischen Achse des Viertelwellenlängenplättchens 13 orientiert ist. Diese Wirkung ist vollständig unabhängig von der Phasenverschiebung i>,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 £ zu wandern, die an den elektrooptischen Kristall 11 durch den Modulationstreiber 12 angelegte Spannung verändert wird, wird die Phasenverschiebung b beim Rücklaufdurchgang durch den Kristall 11 unterschiedlich sein von der Phasenverschiebung beim erstmaligen Durchgang. Folglich werden die Vektoren O₁₀ und O₁₁ nicht mehr in Phase mit den Vektoren E₁₀ und E_n sein, wie im Diagramm F dargestellt ist, und die resultierenden Vektoren R₁ und R₂ werden nicht mehr vertikal orientiert sein. Nach dem Wiedereintreten in den Polarisationsseparator 10 werden die horizontalen Komponenten der resultierenden Vektoren A₁ und A₂ 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 Ausführungen 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

ίο 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 re-

ao flektierten 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

as 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 den Modulationstreiber 12 zu verändern, 10 Nanosekunden und der Abstand zwischen dem Kristall 11 und dem Spiegel 14 beträgt etwa 1,5 Meter. Es können auch andere Formen von Vorrichtungen

mit veränderbarer Doppelbrechung, wie z.B. magneto-optische Zellen an Stelle des elektrooptischen Kristalls 11, eingesetzt werden.

Der Polarisationsseparator 10 reflektiert nur die horizontale Komponente des reflektierten Licht-

Strahls 18. Durch die ersatzweise Verwendung eines nicht-polarisierenden Strahlenteilers, wie eines partialreflektierenden Spiegels, wird der Ausgangsstrahl 18 an Stelle einer Amplitudenmodulation phasenmoduliert werden. Wenn bei Verwendung des Polarisa-

tionsseparators die Veränderung der an den elektrooptischen Kristall 11 angelegten Spannung ausreichend groß ist, um eine 90° -Phasenverschiebung des reflektierten Strahls 18 in bezug auf den einfallenden Strahl 17 hervorzurufen, wird eine Impulsmodulation

erhalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Optischer Modulator zum Anschluß an eine Quelle von linear polarisiertem Licht, mit einer hintereinander geschalteten optischen Kombination mit einem Strahlenteiler zum Abspalten des wiedereintretenden linear polarisierten Lichts von dem auf den Strahlenteiler einfallenden linear polarisierten Licht, mit einem Spiegel, der den Lichtstrahl in sich zurücklenkt, und mit einer Vorrichtung mit steuerbar variabler Doppelbrechung, die zwischen dem Strahlenteiler und dem Spiegel gelegen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Viertelwellenlängenplättchen (13) zwischen der Vorrichtung mit variabler Doppelbrechung (11) und dem Spiegel (14) gelegen ist, daß die Richtung der optischen Doppelbrechungsachse der Vorrichtung mit variabler Doppelbrechung (11) um einen Winkel von 45° gegenüber denjenigen der Polarisation des von der Lichtquelle ausgehenden Lichts und der Doppelbrechungsachse des Viertelwellenlängenplättchens (13) gedreht ist, und daß die gesamte optische Übertragungszeit von der Vorrichtung mit variabler Doppelbrechung (11) zum Spiegel (14) und wieder zurück wenigstens so groß ist wie die Zeit, die erforderlich ist, um die Doppelbrechung der Vorrichtung (11) durch die Steuersignale zu verändern.

2. Optischer Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (11) mit variabler Doppelbrechung ein elektrooptischer Kristall und der Strahlenteiler ein Polarisationsseparator (10) ist, dessen Polarisations-Achse parallel zur Polarisationsrichtung des von der Quelle (15) aussgesandten linear polarisierten Lichts angeordnet ist.