DE2506748C3 - Optischer Modulator - Google Patents
Optischer ModulatorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen optischen 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.
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 zurückreflektiertern Strahlengang die erforderliche
Modulationsspannung bei gleichem Modulationsgrad auf die Hälfte reduziert werden, im
Vergleich zu Moduiaiorcn, 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 NachrichtenubertraSssystemen
oder in optischen Meßgeraten ge-SSsie
können auch als intrakav täre Modulatoren beim Q-Schaltbetrieb und bei der Modusvernegelung
< !l «er-Oszillatorcn verwendet werden. Bei einem
Tischen op iscLen Modulator gemäß dem Stand der
TeSk verläuft ein linear polarisierter Lichtstrahl durch einen elektrooptischen Kristall und einen Ana-So
Die optische Achse des Analysator ,s senk-
»o echt angeordnet, während die des elektrooptischen Kristalls mit 45" in bezug auf die Einfalls-Polar.sadon
ebenTdes Lichtstrahls geneigt ist. Der Knstall
bewirkt eine Doppelbrechung, wenn er einem starken Strischen Feld ausgesetzt ist. Die relative Phasenverzögerung
zwischen den ordentlichen und den außerordenSen
Komponenten der Lichtwellen, die orthogonal bzw. parallel zur optischen Achse des
eekSoptischen Kristalls polarisiert sind ist eine
Funkender elektrischen Feldstärke, die sich aus der
aSegten Spannung ergibt, und auch von anderen
PaSmSern wie der Temperatur des Kristalls und sei- £5en Doppelbrechung. Bei bestimmten Bedingungen
führt die angelegte Spannung zu einer relaxen
Phasenverzögerung zwischen den zwei Komponenten
die gleich Null ist oder e.n Vielfaches von 5°^ beträgt8 in diesem Fall wird die Polansierung
des Lichtstrahls beim Durchgang durch den elektoopt sehen Kristall nicht beeinflußt und bei Vorhegen
Les perfekten Analysators wird der Ausgangsftrahl
dur?h den Analysator vollständig blockiert.
Wenn die angelegte Spannung zu einer relativen Phasenverzögerung
von einem ungeraden Vielfachen von 180° zwischen den zwei Komponenten fuhrt, wird der
einfallende Lichtstrahl um 90° gedreht und vollstandig 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 durchgelassenen Lichts wird als Auslöschungsverhältnis bzw Extinktionsverhältnis
bezeichnet. Be. hohen Modulationsfrequenzen sinkt das Auslöschungsverhaltnis 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
so Hieh-Specd Optical Pulse Code Modulation Communicatior,System:
1,224-Mbit/sec Single Channel« von Richard T Denton und Tracy S. Kinsel, Proceedings
of The IEEE, Band 56, Nr. 2, Februar 1968, Seiten 140 bis 145, beschrieben, daß die Temperatur
ss eines LiTaO,-Kristalls,der ic einem elektrooptischen
Modulator verwendet wird, gleichförmig auf ±0(P5°C geregelt sein muß, damit ein Auslöschungsverhaltnis
von wenigstens 0,01 (-20 dB) aufrechteihalten
werden kann. Zweitens ist der elek-6o trooptischc Effekt nicht gleichmäßig über den
oesamten Querschnitt des Lichtstrahls. D.ese Nicht-Gleichförmigkeit
wird durch vide Faktoren wie z.B. Lokale Veränderungen der Temperatur im Kristall,
Inhomogenität des Kristalls und durch den blickt eier
65 Raumladungs-Verteilung, die durch das ekktr.schc
Feld in einigen Typen von elektrooptischen Kristallen erzeugt wird, hervorgerufen.
Demgemäß besteht die der Erfindung zugrundcl.c-
gcnde Aufgabe darin, einen optischen Modulator der
eingangs genannten Gattung zu schaffen, dessen Apsprechverhalten unempfindlicher gegenüber relativ
zum Signal nur langsam veränderlichen Störungen ist.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Vierteiwcllenlängenplättchen zwischen
der Vorrichtung mit variabler Doppelbrechung und dem Spiegel gelegen ist, daß die Richtung der optischen
Doppelbrechungsachse der Von ichtung mit variabler Doppelbrechung um einen Winkel von 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 isi, um die Doppelbrechung
der Vorrichtung durch die Steuersignale zu verändern.
Dabei wird vom Viertelwellenlängenplättchen 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 Doppelbrechungdes Geräts
resultiert. Folglich wird eine vollständige Kompensation der Temperatur- und Raumladungseffektc erzielt,
wenn vorausgesetzt wird, daß die natürliche Doppclbrechung 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 folgendet: an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die
Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine bildhafte Darstellung des optischen Modulators, und
Fig. 2 eine zeitliche Folge von Lichtvekloren in verschiedenen Abschnitten des in Fig. i dargestellten
optischen Modulators.
Wie in der Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt der optische
Modulator die optische Tandem-Kombination b/.w. die hintereinander geschaltete optische Kombination
eines Polarisationsseparators IU (der ais Strahlenteiler wirkt), dessen Ausgang mil einem elektrooptischen
Kristall Il 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 totalreflektierendcn 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 Il in bezug auf
ίο diejenige des Polarisators 16 und des Viertelwellenlängenplättchens
13 mit 45" geneigt. Die optische Einfallsachse des Polarisationsseparators 10 ist parallel
zu der des Polarisators 16, während seine optische Wiedereintritisachse 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 Lichtstrahl 17 wird
durch den Polarisationsseparator 10 geführt, auf den der elektrooptische 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 /, und /2 dargestellt,
die durch eine Phasenverschiebung von π im Winkelmaß getrennt sind. Die Vektoren /, und I2 können
in die Vektoren O1, E1 und O2, E, 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 d in bezug auf die außerordentlichen
Strahlen E1 bzw. E2 austreten, wie
im Diagramm B der Fig. 2 gezeigt ist. Die ordentlichen Komponenten O1. O4, O5 und O6, sowie die
außerordentlichen Komponenten E„ E4, E, und E1,
dieser Strahlen fallen auf das Viertelwellenlängenplättchen 13 ein, wobei die ersteren mit einer zusätzlichen
Phasenverschiebung von π/2 im Winkelmaß in bezugauf die letzteren austreten, wie im Diagramm C
der Fig. 2 dargestellt ist. Nach erfolgter Reflexion am dielektrischen Spiegel 14 nehmen die verschiedenen
Komponenten O1. O4, O5, O„. /·.,, E4, E5 und /·.'„
die im Diagramm D der Fig. 2 dargestellte Phascnbeziehung zueinander ein. Nach erneutem Durchgang
durch das Viertelwellenlängenplättchen 13 tritt eine zusätzliche Phasenverschiebung von -τ/2 im Winkelmaß
auf, so daß die Komponenten O1 und O1 nun
jeweils iii Phase ini! de» zugehörigen Komponenten
E5 und /.„sind. Die Vektorkomponenten O, und On
sind ebenfalls um π im Winkelmaß verzögert worden,
so daß sie nun in Phase mit den jeweils zugehörigen Vektorkomponenten /■.', und /-.,sind. Die verschiede-
nen Vektoren können in die Vektoren O111, O11. E10
und En aufgelöst werden, die wiederum eine Phasenverzögerungvon
ö 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 On, und O11
wiederum eine Verzögerung ö, wenn sie durch den Kristall 11 hindurchgehen und treten folglich in Phase
mit den Vektoren E10 bzw. E11 auf, wie im Diagramm
F der Fig. 2 dargestellt ist. Diese Vektoren können dann in die resultierenden vertikal polarisierten
Vektoren Ai1 und R2 aufgelöst werden. Die resultierende
Wirkung der Kombination des elektrooptischen Kristalls 11, des Viertelwellenlängenplättchens
13 und des Spiegels 14 ist äquivalent zu einem HaIbwcllenplättchen,
das mit seiner optischen Achse parallel zu der optischen Achse des Viertelwellenlängenplättchens
13 orientiert ist. Diese Wirkung ist vollständig unabhängig von der Phasenverschiebung
ö,die durch den elektrooptischen Kristall 11 bewirkt
wird, gleichgültig ob diese Verzögerung auf die natürliche oder induzierte Doppclbrechung 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 Lichtwellcn benötigen, um zwischen den Orten der Diagramme ß
und E zu wandern, die an den elektrooptischen Kristall 11 durch den Modulationstreiber 12 angelegte
Spannung verändert wird, wird die Phasenverschiebung d beim Rücklaufdurchgang durch den Kristall
11 unterschiedlich sein von der Phasenverschiebung beim erstmaligen Durchgang. Folglich werden die
Vektoren O111 und On nicht mehr in Phase mit den
Vektoren E10 und En sein, wie im Diagramm F dargestellt
ist, und die resultierenden Vektoren R1 und
R, werden nicht mehr vertikal orientiert sein. Nach dem Wiedereintreten in den Polarisationsseparator 10
werden die horizontalen Komponenten der resultierenden Vektoren R1 und R2 nach unten reflektiert
und bilden so einen amplitudenmodulierten Lichtstrahl 18, während die vertikale Komponente rückwärts
in Richtung auf die Quelle IS übertragen wird.
Bei den obigen Ausführungen wurde angenommen, daß die Zeit, die der Lichtstrahl 17 benötigt, um durch
den elektrooptischen Kristall Il 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 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 Raumladungseffektcn im elektrooptischen Kristall 11
verbunden ist. Folglich werden die thermischen und Raumladungseffckle 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 nieht-polarisierenden Strahlenteilers, wie eines partialreflektierenden
Spiegels, wird der Ausgangsstrahl 18 an Stelle einer Amplitudenmodulation phasenmoduliert
werden. Wenn bei Verwendung des Polarisationsseparators die Veränderung der an den elektrooptischen
Kristall 11 angelegten Spannung ausrei chend groß ist, um eine 90°-Phasenverschiebung de:
reflektierten Strahls 18 in bezug auf den cinfallendci Strahl 17 hervorzurufen, wird eine lmpulsmodulatioi
erhalten.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
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 Viertelwellenlängenptättchen (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 Winke! 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 I, 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.
Applications Claiming Priority (2)
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DE2506748A1 DE2506748A1 (de) | 1975-08-21 |
DE2506748B2 DE2506748B2 (de) | 1977-01-13 |
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