DE2736985A1

DE2736985A1 - Optischer breitbandmodulator

Info

Publication number: DE2736985A1
Application number: DE19772736985
Authority: DE
Inventors: Richard L Abrams; David M Henderson
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1976-09-24
Filing date: 1977-08-17
Publication date: 1978-03-30
Also published as: IL52601A; FR2365900A1; FR2365900B1; US4119930A; IL52601A0; JPS5424277B2; JPS5340296A; DE2736985C2; GB1562158A

Description

Anmelderin; Stuttgart, den 12. August 1977

Hughes Aircraft Company P 3^11 S/kg Centinela Avenue and

Teale Street

Culver City, Calif., V.St.A.

Vertreter;

Kohler - Schwindling - Späth
Patentanwälte
Hohentwielstraße 41
7000 Stuttgart 1

Optischer Breitbandmodulator

Die Erfindung betrifft einen optischen Breitbandmodulator mit einem im Weg der zu modulierenden optischen Strahlung angeordneten Modulationsglied, das aus einem elektrooptischen Material besteht und mit wenigstens einer Leitung zum Zuführen eines HF-Modulationssignals gekoppelt ist.

809813/0702

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen optischen Breitbandmodulator so auszubilden, daß bei einfachem Aufbau und mit geringer Modulationsenergie ein optisches Signal hoher Leistung mit großer Bandbreite modulierbar ist_e

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das Modulationsglied in einem von mehreren lieflektoren gebildeten Hingresonator für die optische strahlung angeordnet ist, von dessen Reflektoren einer für von einer äußeren Strahlungsquelle zugeführte optische Strahlung durchlässig ist und der mit einer selektiven optischen Polarisationseinrichtung zum Auskoppeln modulierter Strahlung aus dem Ringresonator versehen ist.

Durch die Anordnung des Modulationsgliedes im Ringresonator können die leistungserhöhenden Eigenschaften des Resonators ausgenützt werden, während gleichzeitig das Modulationsglied auf eine laufende Welle einwirkt. Hierdurch wird die angestrebte Breitbandmodulation bei geringem Bedarf an Modulationsleistung erzielt. Da die Strahlung dem Modulator von außen zugeführt wird, kann ale Strahlungsquelle Jeder geeignete Laser verwendet werden. Als Modulationsglied sind alle auf eine laufende Welle wirkenden, elektro-optischen Modulatoren geeignet, die sowohl in Dünnschicht-Technik ausgeführt als auch massive Kristalle umfassen können. Das Modulationssignal wird dem Modulationsglied zweckmäßig mittels einer unsymmetrischen oder vorzugsweise symmetrischen TKM-Ubertragungsleitung zugeführt, so daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des optischen Signales im Modulationsglied

809813/0702

und die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des IIF-Modulationssignal im wesentlichen gleich sind. Ist diese Bedingung erfüllt und ist die Ringstruktur in Resonanz, findet eine Verstärkung des in dem Ringresonator umlaufenden Signales statt· Eine Verstärkuni; der Leistung der in dem Ringresonator umlaufenden !Strahlung auf das Zehnfache der von der strahlungsquelle zugeführten Leistung kann mitteln bekannter Bauteile erzielt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausfuhrungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden« Ls zeigen

Fig. 1 die schematische Darstellung einer aus einem Laser-Oszillator und einem Modulator nach der Erfindung bestehenden Anordnung,

Fig. 2 die schematische Darstellung einer Anordnung ähnlich Fig, 1 mit einer anderen Ausführungsform eines Modulators nach der Erfindung,

Fig. 3 teilweise in Draufsicht und teilweise im Schnitt einen Breitbandmodulator nach der Erfindung,

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 durch den Breitbandmodulator nach Fig. J,

Fig. 4a einen Ausschnitt aus Fig. 4 in vergrößertem Maßstab und

Fig. 5 teilweise in Draufsicht und teilweise im Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Breitband^ modulators nach der Erfindung. /

809813/0702

Die in I¹¹Ig. 1 dargestellte Anordnung umfaßt einen Laser-Oszillator 10, der ein Laser-Entladungsrohr 11 und zwei Reflektoren oder Spiegel 12 und 13 umfaßt, die einen das Entladungsrohr 11 enthaltenden optischen Resonator bilden. Das Entladungsrohr 11 kann ein stimulierbares Medium enthalten, wie beispielsweise Kohlendioxid. Von den Spiegeln ist, wie bei solchen Laser-Oszillatoren üblich, der eine Spiegel 12 vollständig reflektierend, wogegen der iJpiegel 13 teildurchlässig ist, um das Auskoppeln optischer strahlung aus dem Laser_Oszillator zu ermöglichen. Außerhalb des optischen Resonators des Laser-Oszillators, ,jedoch mit diesem optisch gekoppelt ist eine Modulator-Ringresonator-Anordnung 14, die optisch aufeinander ausgerichtete Bauteile umfaßt, die in einem teildurchlässigen Spiegel 15, einem Polarisator 16, einem Spiegel 17 und einem elektrooptischen Kristall 18 bestehen. Die Spiegel 15 und 17 und der Polarisator 16 sind zu einem Ring für die optische strahlung angeordnet, in welchem Ring sich der elektrooptische Kristall 18 im optischen Weg zwischen dem Spiegel 15 und dem Polarisator 16 befindet. Der Spiegel ist teildurchlässig, damit er den Eintritt optischer Strahlung in den Modulator ermöglicht. Obwohl solche Bauelemente in der schematischen Darstellung nach Fig. nicht wiedergegeben sind, versteht es sich, daß geeignete Linsen dazu benutzt werden können, um den Ausgangsstrahl des Laaer-Oszillators 10 zu fokussieren und in den Modulator 14 zu richten. Das Modulationsaignal wird über einen Modulation3-Treibverstärker 19 einer Bandleitung 20 zugeführt, die elektromagnetisch mit dem elektro-optischen Kristall 18 gekoppelt ist. Am Ausgangsende der Bandleitung 20 befindet sich eine angepaßte Impedanz 21, durch

809813/0702

die die Bandleitung reflektionsfrei abgeschlossen ist. Das modulierte Ausgangssignal wird durch den reflektierenden Polarisator 16 ausgekoppelt. Auch hier können geeignete Linsen, die nicht dargestellt sind, dazu benutzt werden, die Ausgangsstrahlung zu parallelisieren oder zu fokussieren.

In der schematischen Darstellung nach Fig. 1 3ind keine Mittel angegeben, die eine Variation oder Stabilisierung der Länge des optischen Weges des Kingresonators ermöglichen. Solche Mittel können in einem elektro-mechanischen Wandler bestehen, beispielsweise einem PZT-Kristall, an dem der Spiegel 17 angebracht ist. Eine solche Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt, Es wäre auch möglich, die Länge des Hingresonators mittels temperatur- oder druckempfindlicher Hinrichtungen zu verändern. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, temperaturempfindliche Einrichtungen zur Herstellung einer Langzeitstabilität und elektro-mechanische Einrichtungen zur Herstellung einer Kurzzeit-Stabilität des optischen Kesonators zu verwenden.

Für die folgende Beschreibung wird angenommen, daß das Ausgangssignal des Laser-Oszillators 10 eine Wellenlänge von 10,6 ,um aufweist. Diese Wellenlänge entspricht bekanntlich einem bevorzugten Übergang eines CO^-Lasers, der in modernen Systemen zur optischen Nachrichtenübertragung häufig gebraucht wird. Es versteht sich, daß diese Wahl der Betriebswellenlänge lediglich ein Beispiel darstellt und daß andere Laser, die auf anderen Wellenlängen arbeiten, in Verbindung mit geeigneten Modifikationen der bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen vorhandenen Bauelemente verwendet werden können«

809813/0702

In jedem Fall wird die von dem Laser-Oszillator 10 erzeugte optische Strahlung durch den teildurchlässigen Spiegel 13 der Modulator-Ringresonator-Anordnung 14 zugeführt und in diese Anordnung durch den teildurchlässigen Spiegel 15 eingekoppelt. Dank der Bildung eines ringförmig geschlossenen Weges für die optische Strahlung mittels des Spiegels 15» des Polarisators 16 und des Spiegels 17 durchläuft die optische Strahlung den Ringresonator bei der Darstellung nach Fi^. 1 einsinnig entgegen dem Uhrzeigersinn. Wenn die \unlaufende optische Strahlung den elektro-optischen Kristall 18 durchläuft, wird ihre Polarisation in Abhängigkeit von der Modulationsspannung geändert, die dem elektro-optischen Kristall 18 mittels der Bandleitung 20 zugeführt wird. Eine genauere Beschreibung de3 elektro-optischen Kristalles 18, der Bandleitung 20 und weiterer Einzelheiten des Modulator-Aufbaues erfolgt später anhand der Ausführung3formen nach den Fig. 3» 4 und 5· Hier genügt die Bemerkung, daß der elektro-optische Kristall 18 aus einem Stab aus Gadmiumtellurid bestehen kann, das im Bereich der Wellenlängen von 2 bis 23 »im im wesentlichen durchlässig und elektro-optisch aktiv ist. Das Modulationssignal wird dem kristall dank der Geometrie und infolgedessen, der Impedanz der Bandleitung 20 dem Kristall als synchrone oder wenigstens annähernd synchrone laufende Welle zugeführt. Das sich im bevorzugten TEM-Wellentyp fortpflanzende HF-Signal wirkt daurch über der ganzen Länge des elektrooptischen Kristalles 18 auf die optische Strahlung ein.

Der Aufbau des Modulators 14 als Kingresonator führt zu einer Leistungserhöhung, wie sie mit anderen Wanderwellen-Modulatoren nicht erzielt werden kann. Diese Leistungs-

809813/0702

erhöhung kann anhand Fig. 1 wie folgt berechnet werden.

^a sei angenommen, daß ein Teil der einfallenden optischen Strahlung am Spiegel 15 reflektiert wird, wie es durch den punktierten Pfeil angedeutet ist, obwohl der größte Teil der Strahlung in den Ring-

resonator gelangt. Bedeuten R das Reflexionsvermögen 2 m

und Tj; die Durchlässigkeit des Spiegels 15 und wird angenommen, daß andere Verluste an dieser Stelle ver-

2 2 nachlässigbar sind, so gilt R + T = 1. Ahnlich soll T die Durchlässigkeit des Ringresonators bei einem

Umlauf bedeuten. Dann sind alle Verluste des Resonators

durch den Ausdruck L=I-T berücksichtigt. Die

c c

Leistung der einfallenden, reflektierten und umlaufenden Strahlung wird mit P.,bzw. P bzw. P bezeichnet.

Die Leistungserhöhung des Modulators nach Fig. 1 kann durch eine Summierung der elektrischen Felder der Lichtkomponenten festgestellt werden, welche den Resonator mehrfach durchlaufen haben. Nach η Umläufen gilt für das elektrische Feld in dem Resonator:

In dieser Gleichung ist 0 die Phasenverschiebung, welche die optische Welle während eines einzigen Umlaufes in dem Ringresonator erfährt.

809813/0702

— CT- —

Wird die Anzahl der Umläufe η sehr groß, wird Gl₀ (1) zu

T E.
t,< m ι / _o ν

^b° ■ ι - τ * .*»

c m

Das Verhältnis der unlaufenden Leistung zur einfallenden Leistung ist

^Pi 1-2 T_cH_Bco80 ₊ (T_cR_m)²

Dagegen ist die in dem Kingresonator absorbierte Leistung

In gleicher Weise ergibt 3ich für das Verhältnis der reflektierten Leistung zur einfallenden Leistung

P H² - 2 T H COS0 + T²

F - —^m ^£-^Ji ^s ö« (5)

^Λ - ² ^Tc^Rm^{cos0 + (T}c^Rm^

Durch Beschränken der Dimensionen des Hingresonators auf den Fall cos0 = 1 wird die Kesonanzbedingung erfüllt, Es ist ersichtlich, daß unter dieser Bedingung eine beträchtliche Leistungserhöhung erzielt wird, wenn die Kesonatorverluste 1050 und weniger betragen. Weiterhin gibt es für den Kingresonator eine kritische Ankopplung,

809813/0702

die durch Auswahl des richtigen Heflexionsveriaügens für den »Spiegel 15 erzielt werden kann. Bei kritischer Kopplung wird die reflektierte Komponente zu Null und es wird die gesamte einfallende Strahlung von dem Ringresonator aufgenommen. Bei kritischer Kopplung ist 0 ein ganzes Vielfaches von 2Tf, d.h. cos0 = 1, und es wird

sowie P_

(7)

Bei einem Verlust von 10% bei einmaligem Umlauf zeigt Gl. 6, daß eine Leistungserhöhung von 10 erzielt wird, wenn der Spiegel 15 zu 90% reflektierend ist.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Soweit die Bauteile der Anordnung nach Fig. 2 mit den Bauteilen der Anordnung nach Fig. 1 identisch sind, wurden die gleichen Bezugsziffern benutzt. Vollständige Übereinstimmung besteht zwischen den Laser-Oszillatoren beider Anordnungen. Dagegen weist die Modulator-Anordnung gewisse Veränderungen auf, welche sie für gewisse Anwendungen besonders geeignet macht.

Die Anordnung nach Fig. 2 enthält statt eines Polarisators einen vollkommen reflektierenden Spiegel 22. Die Strahlungs-Auskopplung erfolgt mit Hilfe eines durchlässigen Polarisators 24, der sich im optischen Pfad zwischen den Spiegel und 17 befindet. Weiterhin ist eine zweite Bandleitung 20*

809813/0702

zusammen mit einem zugeordneten Modulations-Treibverstärker 19' und einer angepaßten Abschlußimpedanz 21' vorgesehen. Um eine Änderung der Länge des optischen Weges im Hingresonator zu ermöglichen, ist der Spiegel auf einem elektro-mechanischen Wandler 23 montiert. Der Wandler 23 kann beispielsweise einen PZT-Kriötall umfassen, dem ein Treibsignal von einem Treibverstärker 25 zugeführt wird.

Die Anwendung symmetrischer Übertragungsleitungen 20 und 20' besteht darin, daß für einen gegebenen Modulationsindex weniger Modulationsleistung benötigt wird«

Im Betrieb wird das Ausgangssignal des Laser-Oszillators in den Wanderwellen-Modulator in der gleichen V/eise durch den teildurchlässigen Spiegel 15 eingekoppelt, wie es bei der Ausführungsform nach Fig. 1 der Fall ist. Ebenso hat der geometrische Aufbau des Hingresonators wiederum zur Folge, daß nur eine entgegen dem Uhrzeigersinn umlaufende Welle im Ringresonator entsteht» Die sich fortpflanzende optische Welle wird mittels des elektro-optischen Kristalles 18 moduliert, der mit Gegentakt-Modulationssignalen beaufschlagt wird, die von den Modulations-Treibverstärkern 19 und 19' zugeführt werden. Die umlaufende modulierte optische Energie wird aus der Modulator-Ringresonator-Anordnung mit Hilfe des durchlässigen Polarisators 24 ausgekoppelt, der so orientiert ist, daß er für die unmodulierte optische Strahlung am durchlässigsten ist.

809813/0702

Um die Resonanzlänge des Ringresonatora auch bei thermischen und/oder akustischen Änderungen einhalten zu können, ist der Spiegel 17 mittels eines piezoelektrischen Wandlers 23 auf einem starren Rahmen montiert. Der Wandler 23 erhält seinerseits Treibsignale von einem Treibverstärker 25» der mittels einer nicht dargestellten, geeigneten Rückkopplungseinrichtung an eine Hilfsschaltung zur Einhaltung der Resonanzbedingung angeschlossen sein kann. Zu diesem Zweck ist besonders die Messung des am Spiegel 15 reflektierten Anteiles der einfallenden Strahlung geeignet, da die reflektierte Energie bei der Resonanzbedingung des Ringresonators ein Minimum aufweist.

Die Fig. 3 und 4 veranschaulichen den Aufbau eines Modulators, der dem in Fig. 2 dargestellten Modulator entspricht. Dieser Modulator weist zwei massive Platten 30 und 31 auf, zwischen denen sich Abstandsstücke 32, 33 und 34- befinden, welche zugleich als Stabhalter dienen. Diese Abatandsstücke begrenzen zusammen mit einem dreieckigen Zwischenstück 35 drei enge, in Form eines Dreieckes angeordnete Kanäle, von denen zwei im wesentlichen durch elektro-optische Kristallstäbe 36 und 37 ausge- . füllt sind. Der dritte Kanal 3ß dient bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel nur als optischer Weg und ist nicht durch einen Stab aus elektro-optischem Material besetzt. Die drei in Form eines Dreieckes angeordneten Kanäle enden an den Ecken des Dreieckes jeweils in einem teildurchlässigen Spiegel 39» einem vollständig reflektierenden Spiegel 40 und einem reflektierenden

V.

809813/0702

Polarisator 41 „ Die Spiegel 39 und 40 sowie der Polarisator 41 sind in einstellbaren Halterungen 42, 43 und angeordnet, deren Aufbau nicht im einzelnen dargestellt ist. Die Spiegelhalterung 43 kann auch dai elektro-mechanischen Wandler enthalten, der zur Abstimmung des liingmodulators auf Hesonanz und zum Einhalten der Resonanzbedigung dient.

Bei der Anordnung nach Fig. 3 geht die untere Bandleitung 45 von einem Kingangs-Koaxialstecker 48 aus. Diese Bandleitung erstreckt sich unter dem elektro-optischen Kristallstab 36 über dessen Länge und anschließend über die Länge des elektro-optischen Kristallstabes 37· Sie verläßt die Modulatoreinheit an einem Koaxialatecker 49. Die obere Bandleitung ist in gleicher V/eise an der oberen Platte 31 angeordnet und in Fig. 3 nicht dargestellt. Es sind jedoch die zu dieser Bandleitung gehörenden Koaxialstecker 50 und 51 erkennbar. Die Impedanz der Mikrostrip-Bandleitung ist so gewählt, daß die Geschwindigkeit der TliM-Modulationswelle im wesentlichen die gleiche ist wie die Geschwindigkeit der optischen Welle in den Stäben.

In der Praxis hat es sich als wünschenswert erwiesen, leitende Schichten an den oberen υ id unteren Flächen der Stäbe 36 und 37 sowie auf angrenzenden Stellen der Platten 30 und 31 anzubringen» Eine solche Anordnung ist in vergrößertem Maßstab in Fig. 4a gezeigt. Fig. 4a zeigt einen Querschnitt durch den elektro-optischen Kristallstab 37 und dessen Umgebung. Der Stab 37 ist

809813/0702

an seiner Unterseite und seiner Oberseite jeweils mit einer leitenden Schicht 59 bzw« 59' versehen. &in zweites Paar etwas schmalerer leitender Schichten 45 und 45' sind an den Oberflächen der Platten JO und 31 zu den Filmen 59 und 59' benachbart angeordnet. Wenn die gesamte Modulatoreinheit montiert ist, bilden die Schichten 45, 59 und 45', 59' einen durchgehenden galvanischen Kontakt auf der ganzen Länge der Kristalle,

Bei einer experimentellen Anordnung, die mit einer Wellenlänge von 10,6 .um arbeitete, betrug die Länge der Stäbe 5 cm. Die Stäbe hatten einen im wesentlichen quadratischen Querschnitt mit einer Seitenlänge von 1,5 um*· Unter Verwendung von Cadmiumtellurid als Stabmaterial und Berylliumoxid als Plattenmaterial wurde die Impedanz für eine synchron laufende Welle zu etwa 100 Ohm oder bei Anwendung einer Doppel-Bandleitung zu 50 Ohm berechnet.

Fig. 5 zeigt einen Modulator, der dem in der Anordnung nach Fig. 2 verwendeten Modulator entspricht, bei dem also die Signalauskopplung mittels eines durchlässigen Polarisators 54 erfolgt. Zu diesem Zweck ist das drei-, eckige Zwischenstück 35 mit einem Schlitz versehen, der einen Abschnitt des Polarisators aufnimmt, und es ist ein Abschnitt des Abstandsstückes 34 ausgeschnitten, um den Austritt des AusgangsStrahles zu erleichtern. Im übrigen ist der Modulator nach Fig. 5 mit der Ausführungsform nach den Fig. 3» 4 und 4a im wesentlichen identisch.

809813/0702

us versteht aich, daß die vorstehend behandelten Ausführungsformen nur einige wenige Beispiele aus einer Vielzahl möglicher Ausführungsformen darstellen, bei denen das erfindungsgemäße Prinzip verwirklicht ist. So ist es beispielsweise möglich, anstelle der dargestellten dreieckigen Hingstrukturen Modulatoren mit einer anderen Ringgeometrie herzustellen. Für jeden Fachmann sind zahlreiche andere Ausführungsformen erkennbar, die nach den Lehren der Erfindung ausgebildet sein können»

809813/0702

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Optischer Breitbandmodulator mit einem im Weg der zu modulierenden optischen Strahlung angeordneten Modulationsglied, das aus einem elektro-optischen Material besteht und mit wenigstens einer Leitung zum Zuführen eines HF-Modulationssignales gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationsglied (18) in einem von mehreren Heflektoren (15* 16, 17) gebildeten Hingresonator für die optische Strahlung angeordnet ist, von dessen Heflektoren einer für von einer äußeren strahlungsquelle (10) zugeführte optische Strahlung durchlässig ist und der mit einer selektiven optischen Polarisationseinrichtung (16; 24) zum Auskoppeln modulierter Strahlung aus dem Ringresonator versehen ist.

2» Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hingresonator mit einem elektro-mechanischen Wandler (23) zur Änderung von dessen Resonanzlänge versehen ist.

3· Modulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationseinrichtung einen zwischen zwei Reflektoren (22, 17) angeordneten, strahlungsdurchlässigen Polarisator (24) umfaßt.

4. Modulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationseinrichtung einen reflektierenden Polarisator (16) umfaßt.

809813/0702

ORIGINAL INSPECTED

Modulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationaglied (18) aus einem Stab aus Gadmiumtellurid besteht.

809813/0702