DE3025096A1 - Planar electro-optical light deflector - has row of opto-electric prisms each having wave-guide with focusing arrangements for continuous beam deflection - Google Patents
Planar electro-optical light deflector - has row of opto-electric prisms each having wave-guide with focusing arrangements for continuous beam deflectionInfo
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Abstract
Description
Planarer elektro optischer Lichtablenker für kontinuier-Planar electro-optical light deflector for continuous
liche Strahlablenkung Die Erfindung betrifft einen planaren elektrooptischen Lichtablenker für kontinuierliche Strahlablenkung, wobei N parallel geschaltete Prismenablenker nebeneinander angeordnet sind.Liche beam deflection The invention relates to a planar electro-optical Light deflector for continuous beam deflection, with N connected in parallel Prism deflectors are arranged side by side.
Elektrooptische Lichtablenker für kontInuierliche Stsahlablenkung benötigen in üblicher Ausführungsform eine relativ hohe elektrische Spannung pro aufgelöstem Punkt, so daß die Anzahl der möglichen Strahlpositionen stamm beschränkt ist. Für viele Anwendungen wie z. B. bei Laserdruckern, werden jedoch eine große Zahl einzeln auflösbarer Punkte benötigt.Electro-optical light deflectors for continuous steel deflection require in the usual embodiment a relatively high electrical voltage per resolved point, so that the number of possible beam positions stem is limited is. For many applications such as B. in laser printers, however, are a large Number of individually resolvable points required.
Bisher wurden zur Strahlablenkung mechanische (elektromechanische) Ablenker wie Schwingspiegel und rotierende Polygonspiegel sowie akustooptische Ablenker verwendet.So far, mechanical (electromechanical) Deflectors such as oscillating mirrors and rotating polygon mirrors as well as acousto-optical deflectors used.
Mechanische Lichtablenker haben eine relativ niedrige Äblenkgeschwindigkeit sowie sämtliche Nachteile mechanisch schnell bewegter Systeme. Akustooptische Strahlablenker benötigen eine hohe Trägerfrequenz und höhere Steuerleistungen als elektrooptische.Mechanical light deflectors have a relatively low deflection speed as well as all the disadvantages of mechanically fast moving systems. Acousto-optic beam deflectors require a high carrier frequency and higher control powers than electro-optical.
Bei planaren elektrooptischen Lichtablenkern, bei denen das Licht an einem induzierten Bragg-Gitter reflektiert wird, ist nur eine, durch den Bragg-Winkel vorgegebene Ablenkrichtung möglich (Hammer, J.M.; Phillips, W.: Low-loss single-mode optical waveguides and efficient high-speed modulators of LiNb1~xOg on LilaO3, Applied Physics bettes 24 (1974), 56). Ein Bauelement, bei dem grundsätzlich die Möglichkeit einer kontinuierlichen Strahlablenkung gegeben ist, ist der planare elektroop- tische Prismenablenker (Kaminow, I.P.; Stulz, L.W.: A Planar Electrooptic-Prism Switch, IEEE Journal of Quantum Electronics (Aug. 1975), 633). Bei einem Prismenablenker sind die Elektroden keilförmig angeordnet, so daß prismenförmige Ablenkbereiche entstehen. Figur 1 a) zeigt die Elektrodenanordnung eines Prismenablenkers und Figur 1 b) zeigt den idealisierten Phasenverlauf des Lichts vor und hinter dem Ablenker. Die gestrichelten Linien in Figur 1 a) markieren den Verlauf des beugungsbegrenzten Lichtstrahls. Ein Maß für die Qualität des Lichtablenkers ist die Zahl der auflösbaren Punkte. Aus dem Verlauf des Fernfelds der Lichtintensität (Bulmer, C.H.; Burns, W.K.; Giallorenzi, T.G.: Performance criteria and limitation of elektrooptic waveguide array deflectors, Applied Optics 18 (1979), 3282) ergibt sich die Zahl m der auflösbaren Punkte des Ablenkers nach dem Rayleigh-Kriterium m = 2 . #m . w 2 . #m p . # # wobei w der Strahldurchmesser, p die Breite des Prismenablenkers und 2 § m der maximale Phasenhub des Lichts am Ausgang des Ablenkers ist. Der Phasenhub m ergibt sich zu (Kaminow, I.P.; Stulz, L.W.: A Planar Electrooptic-Prism Switch, IEEE Journal of Quantum Electronics (Aug. 1975), 633) 4n7r man V 1 Das Produkt n3r ist eine Stoffkonstante mit dem Brechungsindex n des Wellenleiters und dem wirksamen elektrooptischen Koeffizienten r. V ist die angelegte Elektrodenspannung, 1 die Prismenlänge und lo die Vakuumwellenlänge des Lichts. Fordert man, daß die Breite w des Lichtstrahls an die Breite p des Prismas angepaßt ist, so ist die Mindestbreite p durch die Beugungsbegrenzung des Lichtstrahls vorgegeben. Bei einem Prismenablenker der Länge 1 = 1 cm ist bei Licht der Wellenlånge,k0= 0,633 pm mit TE-Polarisation die Mindestbreite p #90 Sm, so daß z. B. mit L TbO) als Substratmaterial pro aufgelöstem Punkt eine Spannung Vo 7 V notwendig ist.With planar electro-optical light deflectors, in which the light is reflected on an induced Bragg grating, only one deflection direction specified by the Bragg angle is possible (Hammer, JM; Phillips, W .: Low-loss single-mode optical waveguides and efficient high-speed modulators of LiNb1 ~ xOg on LilaO3, Applied Physics bettes 24 (1974), 56). A component that basically allows continuous beam deflection is the planar electro-optical prism deflector (Kaminow, IP; Stulz, LW: A Planar Electrooptic-Prism Switch, IEEE Journal of Quantum Electronics (Aug. 1975), 633) . In the case of a prism deflector, the electrodes are arranged in a wedge shape so that prism-shaped deflection areas are created. FIG. 1 a) shows the electrode arrangement of a prism deflector and FIG. 1 b) shows the idealized phase progression of the light in front of and behind the deflector. The dashed lines in FIG. 1 a) mark the course of the diffraction-limited light beam. The number of resolvable points is a measure of the quality of the light deflector. From the course of the far field of the light intensity (Bulmer, CH; Burns, WK; Giallorenzi, TG: Performance criteria and limitation of electrooptic waveguide array deflectors, Applied Optics 18 (1979), 3282) the number m of the resolvable points of the deflector results according to the Rayleigh criterion m = 2. #m. w 2. #mp. # # where w is the beam diameter, p is the width of the prism deflector and 2 § m is the maximum phase deviation of the light at the deflector's exit. The phase deviation m results from (Kaminow, IP; Stulz, LW: A Planar Electrooptic-Prism Switch, IEEE Journal of Quantum Electronics (Aug. 1975), 633) 4n7r man V 1 The product n3r is a material constant with the refractive index n des Waveguide and the effective electro-optic coefficient r. V is the applied electrode voltage, 1 the prism length and lo the vacuum wavelength of the light. If one demands that the width w of the light beam is adapted to the width p of the prism, the minimum width p is given by the diffraction limitation of the light beam. With a prism deflector of length 1 = 1 cm, the minimum width p # 90 Sm is for light of wavelength k0 = 0.633 pm with TE polarization, so that z. B. with L TbO) as substrate material a voltage Vo 7 V is necessary per resolved point.
Um den Lichtstrahl nicht zu stark fokussieren zu müssen und dennoch einen kleinen Elektrodenabstand und somit eine niedrige Ablenkspannung zu erreichen, kann man mehrere (N) Ablenker nebeneinander anordnen (Tsai, C.S.; Sannier, P.: Ultrafast guided-light beam deflection/ switching and modulation using simulated electrooptic prism structures in LiNbO3 waveguides, Applied Physics Letters 27 (1975), 248). Figur 2 zeigt eine derartige Ablenkerzeile und den Phasenverlauf des Lichts nach Durchlaufen der parallel geschalteten Prismenablenser.In order not to have to focus the light beam too strongly and yet to achieve a small electrode spacing and thus a low deflection voltage, you can arrange several (N) deflectors next to each other (Tsai, C.S .; Sannier, P .: Ultrafast guided-light beam deflection / switching and modulation using simulated electrooptic prism structures in LiNbO3 waveguides, Applied Physics Letters 27 (1975), 248). FIG. 2 shows such a deflector line and the phase progression of the light Passing through the prism scanner connected in parallel.
Schaltet man vor diese Ablenkerzeile einen Phasenschleber, der die Phase des Lichts vor Eintritt in ein Prisma treppenförmig um jeweils L = 2 2 m gegenüber dem benachbarten Prisma verschiebt, so kann die Zahl m der aufgelösten Punkte um das Nfache gesteigert werden (Bulmer, C.H.; Burns, W.K.; Giallorenzi, 2 Performance criteria and limitation of electrooptic waveguide array deflectors, Applied Optics 18 (1979). 3282) 2'N Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen planaren elektrooptischen Lichtablenker für kontinuierliche Strahlablenkung mit einem Phasenschieber von kleiner Baulänge und niedrigen Steuerspannungen anzugeben.If you put a phase shifter in front of this line of deflectors, the The phase of the light before entering a prism in steps of L = 2 2 m opposite each other shifts to the neighboring prism, the number m of resolved points can be increased can be increased by the factor (Bulmer, C.H .; Burns, W.K .; Giallorenzi, 2 Performance criteria and limitation of electrooptic waveguide array deflectors, Applied Optics 18 (1979). 3282) 2'N The invention is based on the object of a planar electro-optical Light deflector for continuous beam deflection with a phase shifter of smaller Specify the overall length and low control voltages.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jedem Prismenablenker ein Streifenwellenleiter mit entsprechenden Steuerelektroden zugeordnet ist, wobei an beiden Enden eines jeden StreifenweilcMnleiters Koppelhörner ausgebildet sind.This object is achieved according to the invention in that each A strip waveguide with corresponding control electrodes is assigned to the prism deflector is, wherein coupling horns are formed at both ends of each strip waveguide are.
Um die Steuerschaltung möglichst einfach zu gestalten, sind die den Streifenwellenleitern zugehörigen Elektroden und die Prismenablenkerelektroden durch eine gemeinsame Spannung ansteuerbar. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.In order to make the control circuit as simple as possible, the are the Strip waveguides associated electrodes and the prism deflector electrodes a common voltage can be controlled. An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described in more detail below.
Figur # zeigt die Elektrodenanordnung eines bekannten planaren elektrooptischen Prismenablenkers.Figure # shows the electrode arrangement of a known planar electro-optical Prism deflector.
Figur 1b) zeigt den idealisierten Phasenverlauf des Lichts vor und nach dem Durchgang durch den in Figur 1a) gezeigten Prismenablenker.Figure 1b) shows the idealized phase course of the light before and after passing through the prism deflector shown in Figure 1a).
Figur 2 zeigt eine bekannte Prismenablenkeranordnung aus vier parallel geschalteten elektrooptischen Prismenablenkern mit dem idealisierten Phasenverlauf des Lichts am Ausgang der Ablenkerzeile.Figure 2 shows a known prism deflector arrangement of four in parallel switched electro-optical prism deflector with the idealized phase course of the light at the output of the deflector line.
Figur 3a) zeigt eine erfindungsgemäße elektrooptische Prismenablenkeranordnung zur kontinuierlichen Strahlablenkung.FIG. 3a) shows an electro-optical prism deflector arrangement according to the invention for continuous beam deflection.
Figur 3b) zeigt den zu Figur 3a) zugehörigen idealisierten Phasenverlauf ecs Lichls.FIG. 3b) shows the idealized phase profile associated with FIG. 3a) ecs Lichls.
Figur 1a) zeigt die Elektrodenanordnung eines Prismenablenkers und zwar die Außenelektroden 11 mit der Länge 1 und dem Abstand p zwischen den beiden Außenelektroden 11.Figure 1a) shows the electrode arrangement of a prism deflector and the outer electrodes 11 with the length 1 and the distance p between the two External electrodes 11.
Mit 12 ist die X¢Iittelelektroue und mit 13 der einfallende Lichtstrahl bezeichnet. Die gestrichelten Linien in Figur 1a) markieren den Verlauf des beugungabegrenzten Lichtstrahls. Figur Ib) zeigt den idealisierten Phasenverlauf des Lichts vor und hinter dem Ablenker. Die Zahl m der auflösbaren Punkte dieses Ablenkers ergibt sich zu 2 m 1 Tr wobei 2 m der maximale Phasenhub des Lichts am Ausgang des Ablenkers ist. Der Faktor 2 berücksichtigt dabei beide Polaritäten der angelegten Spannung. Der Phasenhub ergibt sich zu #m # 4n3r . U . 1 #0 . p Das Produkt n3r ist eine Stoffkonstante mit dem Brechungsindex n des Wellenleiters und dem wirksamen elektrooptischen Koeffizienten r. U ist die angelegte Elektrodenspannung, 1 die Prismenläge und #0 die Vakuumwellenlänge des Lichts. Fordert man, daß die Breite w des Lichtstrahls an die 3reite p des Prismas angepaßt ist, so ist die Mindestbreite p durch die Beugungsbegrenzung des Lichtstrahls vorgegeben. Bei einem Prismenablenker der Länge 1 = 1 cm ist bei Licht der Wellenlänge = 0,633 pm mit TE-Polarisation die Mindestbreite p A 90 um, so daß z. B. mit LiNbO3 als Substratmaterial pro aufgelöstem Punkt eine Spannung Uo 7 V notwendig ist.With 12 is the X ¢ Iittelelektroue and with 13 the incident light beam designated. The dashed lines in Figure 1a) mark the course of the diffraction-delimited Light beam. Figure Ib) shows the idealized phase course of the light in front of and behind the deflector. The number m of the resolvable points of this deflector results in 2 m 1 Tr where 2 m is the maximum phase deviation of the light at the output of the deflector. The factor 2 takes into account both polarities of the applied voltage. The phase deviation results turn to #m # 4n3r. U. 1 # 0. p The product n3r is a material constant with the Refractive index n of the waveguide and the effective electro-optic coefficient r. U is the applied electrode voltage, 1 is the prism length and # 0 is the vacuum wavelength of light. If one demands that the width w of the light beam corresponds to the width p of the prism is adapted, the minimum width p is determined by the diffraction limit of the light beam given. In the case of a prism deflector of length 1 = 1 cm, the wavelength for light is = 0.633 pm with TE polarization, the minimum width p A 90 um, so that z. B. with LiNbO3 A voltage Uo 7 V is necessary as substrate material per resolved point.
Figur 2 zeigt eine bekannte Prismenablenkeranordnung aus vier parallel geschalteten elektrooptischen Prismenablenkern 24 mit dem idealisierten Phasenverlauf des Lichts am Ausgang der Ablenkerzeile. Jeder Prismenablenker 24 weist die Länge 1 und die Breite p2 auf. Mit 21 sind die jeweiligen Außenelektroden und mit 22 die MitteleleXtroden der Prismenablenker 24 bezeichnet. Mit 23 ist das einfallende Licht bezeichnet. Ist die Gesamtbreite einer Prismenablenkeranordnung auc parallel geschalteten elektrooptischen Prismenablenkern, nämlich N 'P2, gleich der Breite p eines einzelnen Prismenablenkers, wie er in Figur 1a) geseigt wird, dann ist die bei der Prismenablenkeranordnung aus N parallel geschalteten elektrooptischen Prismenablenkern erforderliche Ablenkapannung gegenüber dem einzelnen Prismenablenker auf den Nten Teil verkleinert.Figure 2 shows a known prism deflector arrangement of four in parallel switched electro-optical prism deflector 24 with the idealized phase course of the light at the output of the deflector line. Each prism deflector 24 has the length 1 and the width p2. With 21 the respective outer electrodes and with 22 the Center electrodes of the prism deflector 24 are designated. At 23, that's the incoming light designated. Is the total width of a prism deflector arrangement also connected in parallel electro-optic prism deflector, namely N 'P2, the same the width p of a single prism deflector, as it is tilted in Figure 1a), then is the in the prism deflector arrangement of N electro-optical prism deflectors connected in parallel required deflection in relation to the individual prism deflector on the Nth Part reduced.
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es wird ein breiter im elektrooptischen Schichtwellenleiter geführter Lichtstrahl 31 durch N nebeneinanderliegende Koppelbörner 32 in mehrere zueinander parallel laufende Streifenwelienleiter 33 eingekoppelt. In den Streifenwellenleitern 33 wird das Licht durch die Steuerelektroden 34 so phasenverschoben und über Auskoppelhörner wieder aufgeweitet, daß am Ausgang ein treppenförmiger Phasenverlauf #1 (x) entsteht. Anstelle der Koppelhörner können auch Linsen in Wellenleiterausführung verwendet werden. Die Länge der Steuerelektroden 34 ist In = n 10 mit n = 0,1,...(N-1). Durch eine nachfolgende Prismenablenkeranordnung 35 aus N parallel geschalteten Prismen wird eine sägezahnförmige Phasenverschiebung 2 (x) überlagert. Ist die Länge 7 so gewählt, daß der Phasensprung A jeweils gleich dem maximalen Phasenhub 2 m des sägezåhnförmigen Phssenverlaufs 2 (x) ist, dann erhält man am Ausgang der Prismenablenkerzeile eine lineare Phsseiifront (x), deren Neigung der angelegten elektrischen Spannung proportional ist. Mit 36 ist der kontinuierlich ablenkbare Lichtstrahl bezeichnet. Mit einer Anordnung, wie sie in Figur 3 dargestellt ist mit N = 4, beträgt die Zahl m der aufgelosten Punkte: m # 2 # 4 # #m # Die Länge lo wird vorteilhaft so gewählt, daß die den Streifenwellenleitern 33 zugehörigen Elektroden 34 und die Prismenablenkerelektroden der Prismenablenker 35 durch eine gemeinsame Spannung ansteuerbar sind.Figure 3 shows an embodiment of the invention. It will be wider Light beam 31 guided in the electro-optical layer waveguide through N adjacent Coupling punch 32 into several strip waveguides 33 running parallel to one another coupled. In the strip waveguides 33, the light is through the control electrodes 34 so out of phase and expanded again via decoupling horns that at the exit a stepped phase course # 1 (x) is created. Instead of coupling horns you can Waveguide lenses can also be used. The length of the control electrodes 34 is In = n 10 with n = 0.1, ... (N-1). By a subsequent prism deflector arrangement 35 of N prisms connected in parallel becomes a sawtooth-shaped phase shift 2 (x) superimposed. If the length 7 is chosen so that the phase jump A is always the same the maximum phase deviation is 2 m of the sawtooth-shaped phase curve 2 (x), then a linear phase front (x) is obtained at the exit of the prism deflector line Slope of the applied electrical voltage is proportional. At 36 it is continuous deflectable light beam called. With an arrangement as shown in FIG if with N = 4, the number m of the resolved points is: m # 2 # 4 # #m # The length lo is advantageously chosen so that the waveguides 33 associated with the strip waveguides Electrodes 34 and the prism deflector electrodes of the prism deflector 35 by a common voltage can be controlled.
Mit einer Parallelanordnung von zwanzig Prismen, je 100 µm breit und 10 mm lang, kann dann z. B. die erforderliche Spannung auf ca. V0 = 0,4 V pro Punkt gesenkt werden. Bei einer angelegten Sägezahnspannung dem Amplitude (50 V) könnten somit ca. 250 Punkte angesteuert werden.With a parallel arrangement of twenty prisms, each 100 µm wide and 10 mm long, then z. B. the required voltage to approx. V0 = 0.4 V per point be lowered. With an applied sawtooth voltage the amplitude (50 V) could thus approx. 250 points can be controlled.
Beträgt die Zahl der auflösbaren Punkte bei einem Einzelprisma m, so beträgt die Zahl der auflösbaren Punkte bei einer Prismenzei7e aus N Einzelprismen ebenfalls m, wohingegen die Zahl der auflösbaren Punkte bei einer erfindungsgemäßen Prismenzeile aus g Einzelprismen mit zusätzlicher treppenförmiger Phasenverschiebung N m beträgt. Dabei ist vorausgesetzt, daß bei sämtlichen angeführten Prismenablenkeranordnungen die Gesamtbreite und die Gesamtlange jeweils gleich groß sind. Die erfordeliche Spannung pro aufgelöstem Punkt ist bei einer Prismenzenle as g Einzel~ismen gegenüber einem ginvelprisma um den Faktor g erniedrigt. Gegenüber einer Prismenzeile aus N Einzelprismen ist bei einer erfindungsgemäßen Prismenzeile aus N Einzelprismen mit zusätzlicher treppenförmiger Phasenverschiebung die erforderliche Spannung pro aufgelöstem Punkt um einem weiteren Faktor N erniedrigt, weil der Phasenverlauf (x) über alle N Einzelprismen hinweg linear (nicht sägezahnförmig) ist.If the number of resolvable points for a single prism is m, thus the number of resolvable points in a prism line is made up of N individual prisms likewise m, whereas the number of resolvable points in an inventive Prism line consisting of g single prisms with additional step-shaped phase shift N m. It is assumed that in all of the prism deflector arrangements mentioned the total width and the total length are each the same. The necessary In the case of a prismatic zenle, tension per resolved point is as opposed to individual isms a ginvel prism is reduced by a factor of g. Opposite a line of prisms In a prism row according to the invention, N individual prisms are composed of N individual prisms with additional stepped phase shift the required voltage per The resolved point is reduced by a further factor N because the phase curve (x) is linear (not sawtooth-shaped) across all N individual prisms.
Die Wirkung dieser Ablenkzeile ist identisch mit der eines einzelnen Ablenkers mit dem Nfachen Phasenhub (jeder einzelne Prismenablenker erzeugt den Phasenhub Somit ist die Zahl der aufgelösten Punkte 2 # #m m = N # .The effect of this deflection line is identical to that of a single one Deflector with N times the phase deviation (each individual prism deflector generates the Phase deviation Thus the number of resolved points is 2 # #m m = N #.
# Wegen des zumal kleineren Elektrodenabstandes wird der gleiche Phasenhub Xm bereits bei der 1/Nfachen Spannung des Einzelprismas erreicht, so daß hier die Spannung pro aufgelöstem Punkt um den Faktor N² niedriger ist als beim Einzelprisma. # Because of the smaller distance between the electrodes it will be the same Phase deviation Xm already reached at 1 / N times the voltage of the single prism, so that here the voltage per resolved point is lower by a factor of N² than with Single prism.
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1980
- 1980-07-02 DE DE19803025096 patent/DE3025096A1/en not_active Withdrawn
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