DE2655907C3 - Steuerbare Beugungsgittervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine steuerbare Beugungsgittervorrichtung gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.

Eine Beugungsgittervorrichtung dieser Art ist aus »Opt. Communications«. 13 (1975), Seiten 330-332, bekannt. Diese bekannte Beugui _,-sgittervorrichtung mit einem elektro-optischen F ubstrat hat in der Praxis J5 eine Reihe von Nachteilen. Bei der bekannten Beugungsgittervorrichtung wird davon ausgegangen, daß die Steuerbarkeit des Beugungsgitters davon abhängt, daß der einfallende Lichtstrahl durch einen elektro-optisch aktiven Bereich des Materials hindurch- -ίο tritt. Aus diesem Grund kommt bei der bekannten Vorrichtung nur ein transparentes Material als Substrat für die Beugungselektrodenanordnung in Frage, weil es sonst nicht möglich ist, den Strahl durch den elektro-optisch aktiven Bereich hindurchzuführen und -r> den Strahl mit einer genügenden Intensität wieder aus diesem Bereich herauszuführen. Damit ist die Materialauswahl für das Substrat sehr begrenzt, und es konnte bisher im wesentlichen nur das transparente, lanthanmodifizierte Blei-Zirkonat-Titanat (PLZT) verwendet w werde, da dieses Material als einziges die gewünschte elektro-optische Eigenschaft hat und noch dazu transparent ist. Ein weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtung besteht dann, daß zwangsläufig im Bereich der Totalreflexion gearbeitet werden muß, so daß der Einfallswinkel, un'er dem der Lichtstrahl auf das Prisma einfällt, in engen Grenzen gehalten werden muß. Des weiteren muß die Vorspannung der Beugungsgitteran
Ordnung mit den interdigitalen Elektroden ebenfalls in engen Grenzen gehalten werden, da andernfalls die Gefahr besteht, daß die erforderliche Totalreflexion nicht auftritt, wenn nämlieh die Modulationsspanrning zu hoch oder zu niedrig ist.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannte Vorrichtung dahingehend zu b5 verbessern, daß nicht nur ein transparentes Substrat, sondern auch opake Substrate verwendet werden können, und daß darüber hinaus die Wahl der Versuchsbedingungen insbesondere im Hinblick auf den Einfallswinkel des Strahls und die angelegte Vorspannung in größeren Bereichen möglich ist

Diese Aufgabe wird durch die in dem Hauptanspruch gekennzeichnete Vorrichtung gelöst Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat eine Reihe von Vorteilen. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kommen als Substrate sowohl transparente als auch opake Materialien in Frage, so daß praktisch sämtliche elektro-optischen Materialien eingesetzt werden können. Bei der irfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Einfallswinkel des Strahls in weiten Grenzen beliebig, da die Reflexion am optisch dichteren Medium ausgenützt wird, d. h., daß nicht in dem Bereich der Totalreflexion gearbeitet werden muß.

Auch die Vorspannung kann bei der erfindungsgemaßen Vorrichtung in weiteren Grenzen variiert werden, da das Erfordernis der Totalreflexion entfällt Schließlich kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Modulationsgrad verbessert werden, da bei den meisten opaken Materialien der Modulationsgrad ohnehin besser als bei dem transparenten Material PLZT ist. Mu anderen Worten kann bei opaken Materialien ein höherer Modulationsgrad mit einer geringeren Vorspannung als bei Pl-ZT erreicht werden. Besonders vorteilhaft ist Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). welches opak ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung betrifft die Verwendung der Beugungsgittervorrichtung in einem Lasermodulator.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nur. anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 die Anordnung der Beugungsgittervomchtung,

F i g. 2 (A) bis 2 (C) drei Beispiele für die Anordnung der Elektroden an der Beugungsgittervorrichtung,

F i g. 3 eine schematische Zeichnung zur Erläuterung der Wirkungsweise der Beugungsgittervorrichtung.

F i g. 4 (A) und 4 (B) Beispiele für Beugungsmuster.

F i g. 5 ein experimentelles System zur Beobachtung des Beugungsmusters,

F i g. 6 in schematischer Darstellung ein experimentelles System für einen optischen Modulator und

F i g. 7 eine graphische Darstellung, die das experimentelle Ergebnis mit einem optischen Modulator zeigt.

Fig. 1 zeigt die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beugungsgniervorrichtung, wobei eine Beugungselektrodenanordnung 1 mit interdigitalen Elektroden 1<J und Ib, ein elektro-optisches Substrat 2 und Anschlüsse 12a, 12b gezeigt sind, um ein elektrisches Signal an die Elektroden la und \b anzulegen. Das Substrat hat die Eigenschaft, daß der Brechungsindex des Substrates durch die Größe des elektrischen Feldes bestimmt wird, das an das Substrat angelegt wird. Die Beugungselektrodenanordnung 1 besteht aus einer Vielzahl dünner, linienförmiger. interdigitaler Elektroden la und \b. Der Abstand zwischen jeder der Elektroden la und It ist sehr klein, jedes Elektrodenpaar ist jedoch nicht elektrisch miteinander verbunden. Es sind Abwandlungen der Beugungselektrodenanordnung 1 möglich, wie in den Fig.2 (A), 2 (B) und 2 (C) gezeigt ist. Die Anordnung in F i g. 2 (A) ist die gleiche wie die in Fig. 1 gezeigte Anordnung und besteht aus zwei Sätzen linienförmiger, interdigitaler Elektroden la und Ib. Die Anordnung von Fig.2 (A) wird mit einem einphasigen Eingangssignal gespeist. Die Anordnung in Fig. 2 (B) besteht aus drei Sätzen interdigitaler Elektroden la, \b und Ic, und sie wird von einem

dreiphasigen Eingangssignal gespeist. Die Anordnung in Fig.2 (C) besteht aus vier Sätzen interdigitaler Elektroden Ia, \b, Xc und \d und wird mit einem vierphasigen Eingangssignal gespeist

Fig.3 zeigt die Wirkungsweise der Beugungsgittervorrichtung, wobei der einfallende Strahl 3, der unter einem Einfallswinkel θ auf das Substrat auftrifft, der reflektierte Strahl 4, der durchtretende Strahl 5, der unter einem Winkel φ in daj Substrat eintritt, und das Beugungsmuster b dargestellt sind. Wenn ein linearpola risierter Lichtstrahl, dessen Polarisationsnchtung parallel zu der Einfallsebene, das heißt parallel zu der xz-Ebene in F i g. 1 ist, auf die Oberfläche in derselben Ebene, wie oben angegeben wurde, einfällt, wird der reflektierte Strahl auf der Oberfläche des Substrates entsprechend dem Beugungsmuster gebeugt. Da durch die Differenz in dem Reflexionsgrad zwischen den Elektroden und den Zwischenräumen ein periodisches Reflexionsmuster gebildet wird, kann der reflektierte Strahl durch eine Fourier-Transformierte des Reflexionsmusters auf der Substratoberfläche ausgedruckt werden. Wenn eine elektrische Spannung an die Elektroden angelegt wird, wird durch die perodische Verteilung des elektrischen Feldes e>ne Änderung dieses periodischen Reflexionsmusters verursacht Die Verwendung des elektro-optischen Materials ermög licht eine Änderung des Reflexionsmusters, da der Brechungsindex des Substratmaterials zwischen den Elektroden sich mit dem angelegten elektrischen Feld ändert. Folglich kann das Beugungsmuster mit der an die Beugungselektrodenanordnung angelegten Spannung geändert werden.

Die F i g. 4 (A) und 4 (B) zeigen das Muster des Reflexionsfaktors bei der Beugungsgittervorrichtung. In diesen Figuren ist die horizontale Achse die «-Achse (Fig. 1), und die vertikale Achse zeigt den Reflexions faktor. Wenn keine Spannung an die Beugungselektrodenanordnung angelegt wird, ändert sich der Reflexionsfaktor regelmäßig, wie in Fig.4 (A) gezeigt ist. Wenn eine einphasige Eingangsspannung an die ßeugungselek'rodenanordnung angelegt wird, ändert lieh der Reflexionsfaktor unregelmäßig, wie in F i g. 4 (B) gezeigt ist. Wenn die dreiphasige oder die vierphasige Eingangsspannung an die Beugungselektrodenanordnungen gemäß den Fig. 2 (B) bzw. 2 (C) Angelegt wird, können weitere Beugungsmuster erhallen werden.

Γ i g. 5 zeigt ein experimentelles System zur Beobachtung des Beugungsmusters eines Laserstrahls. In Fig. 5 lind ein Laser 7, ein Photodetektor 8, ein Erregerkreis 9. ■m eine Eingangsspannunt; an die Elektrodenanordnung 1 anzulegen, ein Resonatorspiegel 10, ein kalbdurchlässiger Spiegel 11, die Richtung 13 der tnearen Polarisation und ein Oszilloskop 14 gezeigt. Statt de-n Oszilloskop 14 kann auch ein Aufzeichnungsgerät vorgesehen Hin. Die Intensität des gebeugten Strahles und der Beugungswinkel können in dem Oszilloskop 14 dadurch beobachtet werden, daß man den Photodetektor 8 in horizontaler Richtung verlchiebt. Auch kann die Beugung beobachtet werden. Wenn eine Eingangsspannung an die Elektrodenanordnung angelegt wird.

Fig.6 zeigt ein experimentelles System zur internen Modulation für einen Laser. Eine Beugungsgittervorrichtung mit dem Substrat 2 und der Beugungselektrodenanordnung 1 wird in einem Laserresonator unter einem Einfallswinkel C angeordnet, und der Resonatorspiegel 10 wird so eingestellt, daß die Änderung der

Strahlintensität bei Anigen einer Eingangsspannung auf ein Maximum gebracht wird. Wenn die Erregerschaltung 9 ein hochfrequentes Modulationssignal an die Beugungseltktrodenanordnung anlegi, wird der OFaktor des Resonators geändert, so daß der Ausgang des Lasers 7 geändert bzw. durch das hochfrequente Modulationssignal moduliert wird.

Einige mögliche Anwendungsfälle für die Beugung·» gittervorrichtung sind: (1) die Verwendung als Beu gungsgitter bei wissenschaftlichen Experimenten und Messungen, (2) Verwendung in einem Lasermodulator zur Nachrichtenübertragung, (3) Verwendung als Q-Schalter zur Erzeugung von Riesenimpulsen durch Umschaltung der ^-Faktoren durch eine äußere Spannung, (4) Verwendung zur zwangsweisen Kopplung (mode-locking), um ein Impulssignal aus einem eine kontinuierliche Welle abstrahlenden Laser durch

Anwendung eines Signals mit der Frequenz ,-, (wobei C

die Lichtgeschwindigkeit und L die Strecke zwischen den Resonatoren ist) zu erhalten, (5) Verwendung in einem Generator für schmale Impulse, o) Verwendung in einer Licht-Kopplungseinnchtung. und ,'7) Verwendung als Polarisationseinrichtung.

Das Material des Substrates 2 muß einen großen primären oder sekundären eiektro-optischen Effekt zeigen. Γ-ji dem primären elektro-optischen Effekt ändert sicn der Brechungsindex linear und proportional zu der Änderung des elektrischen Feldes. Bei dem sekundären elektro-optischen Effekt ändert sich der Brechungsindex proportional zu dem Quadrat der Änderung des elektrischen Feldes. Eir ge Möglichkeiten für das Material des Substrates sind:

Blei-Zirconat-Titanat (PZT),
Lanthan-modifiziertes Blei-Zirconat-Titanat (PLZT).
Lithium-Niobat (LiNbO₃),
Lithium-Tantalat (LiTaOj),
Barium-Titanat (BaTiOs) und
Strontium-Barium-Niobat (SBN).

Das ivlaterial der Beugungselektrodenanordnung kann aus einigen Metallen einschließlich Gold, Silber und Aluminium und auch aus einigen transysrenten. dielektrischen Dünnschichten bestehen.

Im folgenden werden einige experimentelle Ergebnisse erläutert:

Beispiel 1

Unter Verwendung der experimentellen Anordnung von F i g. 5 wurde die Kurve, die die Beziehung zwischen der an die Beugungselektrodenanordnung angelegten Spannung und dem Modulationsgrad angibt, gemessen. Dar Re'iil.at ist in F i g. 7 gezeigt, bei der die horizontale Achse die an die Beugungselektrodenanordnung angelegte Spitzenspannu.ig und die vertikale Achse den Modulationsgrad in Prozent angibt. Die Bedingungen bei dem Experimeni waren wie folgt:

(a) Periode der einzelnen, interdigitalen Elektroden in der Elektrodenanordnung:400 μπι.

(b) Breite der und Zwischenraum zwischen den interdigitalen Elektroden der Elektrodenanordnung: 100 μπι.

(c) Substratmaterial: Blei —Zirconat-Titanat (PZT). Die physikalischen Eigenschaften dieses Materials sind in Tabelle 1 angegeben.

(d) Optische Strahlungsquelle: He-Ne-Laser mit einer Wellenlänge von 0,63 μιη und Brewster Fenster.

(e) Einfallswinkel θ = 60°.

(f) Abstand zwischen dem Beugungsgitter und dem ί Kopplungsspiegel: 5 cm.

(g) Frequenz des Eingangssignales: 24 kHz (einphasig), (h) Beugungswinkel4Θ= ±0,013°.

Tabelle I in

Physikalische Eigenschaften des PTZ-Matcrials

Dielektrizitätskonstante r{., = 1700

Elcktromechanischc Kopp- k_n = 0,66, k, - 0.54. lungslaktoren A,, - 0,70, A,, - 0.36 π

Piezoelektrische Konsum- r/i, = -200X10 ^l: m/V. ten thy = 450X10 '' m/V.

if.,, = - 14X10 ^!-Vm/N.

i',, = 27X10 '■ Vm/V

Mechanischer U-Fakten

Freq U cn/konstant dichte
für die Temperatur

Dichte
Curie-Temperatur

/;· I - 141 kll/-cm.
Ι,-1 -- I I6kll/-cm

7.5OX K)¹ kg/m'
314 (

Dielektrischer Verlustfaktor

tan rf = 1,5%

firläuterunnon

l,\: l-reiiuen/konslanle einer dünnen Stanpe. hei der das elektrische feld senkrecht /ur Längsrichtung angelegt wird.

K-i : l^:requen/konstanle einer dünnen Plane, hei der da* elektrische I ekl parallel /u der Dickendimerisinn angelegt wird.

Beispiel 2

Unter Verwendung eines He - Ne-Lascrs mit einer Frequenz von 3.39 μιπ, bei dem die Strecke zwischen den Resonatorspiegein 5 m betrug, wurde ein ίπψιιΚ/ug mit einer Frequenz von 30 MHz und einer Impulsbreite bei jedem Impuls von 10 nsec erhalten.

Hierzu 'S Blatt /.cichninmcn

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Steuerbare Beugungsgittervorrichtung mit einem elektro-optischen Substrat, dessen Brechungsindex von dem daran angelegten, elektrischen Feld abhängig ist, mit einer auf der Oberfläche des Substrates angeordneten Beugungselektroden anordnung mit interdigitalen Elektroden und mit einer Vielzahl von Anschlüssen, die mit jeder Elektrode von Paaren der interdigitalen Elektroden verbunden sind, bei der die interdigitalen Elektroden mit ihrer Längsrichtung senkrecht zu der Polarisationsrichtung eines linearpolarisierten, an der Oberfläche in steuerbarer Weise reflektierten Lichtstrahls liegen, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl von außen auf die Substratoberfläche einfällt, und daß seine Polarisationsrichtung parallel zu seiner Einfallsebene liegt

2. Beugungsgittervorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Substrates (2) Slei-Zirkonat-Titanat ist.

3. Verwendung einer Beugungsgittervornchiung nach Anspruch 1 oder 2 in einem Lasermodulator

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