DE3340809A1

DE3340809A1 - Akustooptische lichtmodulations- und/oder lichtablenkeinrichtung

Info

Publication number: DE3340809A1
Application number: DE19833340809
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dipl.-Phys. Dr. 7144 Asperg Auch; Eberhard Dipl.-Ing. 7143 Vaihingen Schlemper
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1983-11-11
Filing date: 1983-11-11
Publication date: 1985-05-23
Also published as: US4638266A; FR2554933A1; FR2554933B1

Description

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; 4 ο s ο

W.Auch-E.SchLemper 5-7

Akustooptisehe LichtmoduLations- und/oder Lichtablenkeinri chtung

Die Erfindung geht aus von einer akustooptisehen LichtmoduLations- und/oder LichtabLenkeinrichtung mit einem optisch durch Lässigen Material und einem e lektrisch/akustischen Wandler zur Erzeugung von akustischen Wellen in diesem Material. Eine solche Einrichtung ist aus dem Aufsatz "Acoustooptic Devices and Applications" von I.C. Chang, IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics/ SU-23, Seiten 2 bis 22, 1976 bekannt.

Eine solche Einrichtung verschiebt die Frequenz des Lichts eines sie durchlaufenden Lichtstrahls und lenkt diesen Lichtstrahl gegenüber seiner ursprünglichen Richtung ab. Daraus ergibt sich, daß eine solche Einrichtung als Lichtmodulati onsei nri chtung (der Anwendungsfall/ bei dem lediglich eine Verschiebung der Lichtfrequenz erfolgt, wird hier ebenfalls als Lichtmodulation bezeichnet) und/oder als Lichtablenkeinrichtung verwendet werden kann.

Sowohl der Ablenkwinkel als auch die Frequenzänderung bei der Modulation hängen von der Frequenz, mit der der elektrisch/akustische Wandler angesteuert wird, ab. Außer einer Frequenzmodulation ist mit einer solchen Einrichtung auch eine Intensitätsmodulation möglich. Die Intensitätsmodulation hängt von der Leistung des Ansteuersigna Is für den Wandler ab

ZT/P1-Sm/R "-;■ ^"-v^ -4-

09.11.1983

¹^i ο / r. π η π ο C 4 υ ü U b

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Nachteilig hierbei ist es, daß zur Ansteuerung der elektrisch/akustisehen Wandler aus ReaLi sierbarkeitsgründen eine bestimmte Mindestfrequenz (Liegt bei handeLsübLichen Bauelementen bei ca. 20 MHz) erforderlich ist. Die bekannte Einrichtung kann somit nicht zur Erzeugung kleiner Änderungen der Lichtfrequenz verwendet werden. Würde man den elektrisch/akustischen Wandler Cunrea Ii stischerweise) räumlich so groß dimensionieren, daß niedrige Ansteuerfrequenzen möglich wären, dann wäre der frequenzverschobene Lichtstrahl von dem nicht frequenzverschobenen Lichtstrahl nach dem Durchlaufen der Einrichtung nur um einen so kleinen Winkel getrennt, daß es nahezu unmöglich wäre, den einen vom anderen Teilstrahl auszublenden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine akustooptisehe Lichtmodulations- und/oder Lichtablenkeinrichtung anzugeben, die auch kleine Änderungen der Frequenz eines sie durchlaufenden Lichtstrahls ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im Anspruch 1 angegebenen Mitteln. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Mit der neuen Einrichtung ist es nicht nur möglich, kleine Änderungen der Frequenz des Lichtstrahls zu erzeugen, sondern es kann der "frequenzverschobene" Lichtstrahl gut von dem "nichtfrequenzverschobenen" Lichtstrahl getrennt werden. Folglich erhält man also auch bereits bei kleinen Frequenzänderungen eine ideale Trägerunterdrückung, wenn der "nichtfrequenzverschobene" Lichtstrahl ausgeblendet wird. Einen optimalen Wirkungsgrad hinsichtlich des "frequenzverschobenen" Lichtstrahls erhält man dann, wenn der

-5-

BAD OFUGiMAL

/-> .-I / ^ Cy ρ, Q

-5- ύύ^;ίϋοϋ j

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Lichtstrahl unter dem Winkel, bei dem die Bragg-Bedingung erfüllt ist, auf die Einrichtung auftrifft.

Bei der neuen Einrichtung werden in zwei Richtungen akustische Wellen erzeugt. Dies ermöglicht eine zweidimensionale Ablenkung des Lichtstrahls, u.js tür zahlrriihc Anwendungsfälle von Vorteil ist Cz. B. "optisches Schreiben")

Besonders vorteilhaft kann die neue Einrichtung bei dem aus der DE-OS 31 36 688 bekannten Faserkreisel angewandt werden. Bei dem dort beschriebenen Faserkreisel ist es für eine bestimmte Betriebsart wünschenswert, zwischen den beiden TeiI strahlen, die die Lichtleitfaser gegensinnig durchlaufen, eine Phasendifferenz von ?- zu erzeugen. Wird hierzu eine bekannte akustooptisehe Lichtmodulationseinrichtung mit 100 HHz angesteuert, dann wird eine Phasendifferenz von 973 -n-Cbei 1 km Länge der Lichtleitfaser) anstatt von -5· erzeugt. Zur Erzeugung der Phasendifferenz r müssen deshalb zwei solcher Einrichtungen verwendet werden, die mit 100 MHz und mit 100,05 MHz angesteuert werden. Mit der neuen Einrichtung kann direkt eine Frequenzverschiebung um 50 kHz erzeugt werden, so daß es möglich ist, mit nur einer Einrichtung die gewünschte Phasendifferenz von ?- zu erzeugen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1a und 1b eine Skizze zur Erläuterung der Erzeugung

der Änderung der Frequenz des Lichtstrahls,

Fig. 1c einen Querschnitt durch die neue Einrichtung,

BAD

O O / ΠΟΠΟ

ύ c -ι U ο U b

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Fig. 2 eine Skizze zur Erläuterung des Strahlen-

gangs durch die neue Einrichtung_/ und

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Weiterbildung

der neuen Einrichtung.

Die akustooptisehen Lichtmodu lations-und/oder Lichtablenkeinrichtungen werden, unabhängig davon, ob sie zur Lichtmodulation oder zur Lichtablenkung verwendet werden, häufig als Bragg-Zellen bezeichnet. Von dieser Bezeichnung wird nachfolgend ebenfalls Gebrauch gemacht.

In der Fig. 1a trifft von links ein Lichtstrahl, der die Frequenz f hat, auf eine Bragg-Zelle B auf. Die Bragg-Zelle hat die Form eines Quaders; die Kantenlänge ist 5 mm. Auf eine Außenfläche des Quaders .ist ein elektrisch/akustischer Wandler W1 aufgebracht, dessen elektrisches Ansteuersignal die Frequenz f. hat. Er erzeugt eine akustische Welle, die sich in Richtung V ^"f-i^ ausbreitet. Der einfallende Lichtstrahl bildet mit der Senkrechten auf der Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle einen Winkel Qr., der so gewählt ist, daß er die Bragg-Bedingung erfüllt (die Bragg-Bedingung ist in der zuerst genannten Literaturstelle erläutert). Trifft der einfallende Lichtstrahl unter diesem Winkel e_f1 auf die akustische Welle auf, dann ist gewährleistet, daß der frequenzverschobene Ausgangs-Lichtstrahl die maximale Intensität aufweist.

In der Bragg-Zelle B wird der einfallende Lichtstrahl in zwei Ausgangslichtstrahlen aufgeteilt, wobei der eine, der nicht frequenzverschoben ist, die Bragg-Zelle in Richtung seiner Einfallsrichtung und der andere, der frequenz-

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verschoben ist, die Bragg-ZeLLe abgeLenkt verLäßt. Er ist gegenüber seiner Einfa LLsrichtung um den doppeLten Bragg-WinkeL 2)_fy] abgeLenkt.

Ändert man die Frequenz f^ des AnsteuersignaLs für den
WandLer W1, dann ändern sich auch die Bragg-WinkeL. Bei
Änderungen im Bereich von 50-100 kHz sind die Änderungen des Bragg-WinkeLs so gering, daß der Einsatz der Bragg-Zelle aLs FrequenzmoduLator nicht entscheidend beeinfLußt ist. Man erhäLt LedigLich geringe Intensitätsschwankungen des AusgangsLichtstrahLs.

Es ist jedoch auch möglich, den einfaLLenden LichtstrahL unter einem anderen WinkeL aLs dem Bragg-WinkeL auf die
Bragg-ZeLLe auftreffen zu lassen. Unter welchen Winkeln
die austretenden Lichtstrahlen die Bragg-Zelle verlassen und wie die EnergieaufteiLung auf diese austretenden Lichtstrahlen erfolgt,ist dem Fachmann bekannt. Es wird hierzu beispielsweise auf das Buch "Topics in AppLied Physics", Band 7 "Integrated Optics", herausgegeben von T.Tamir,
Springer-Verlag BerLin, 1979 (insbesondere Seiten 155-157) verwiesen.

Eine der Fig. 1a ähnliche Anordnung ist in der Fig. 1b
beschrieben. Die Frequenz des AnsteuersignaIs für den
WandLer W2 ist f_; der Bragg-Winkel ist θ _ und die Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle ist V Cf_).

Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Anordnungen besteht darin, daß die Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichtstrahls

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- bei der Anordnung nach Fig. 1a eine Komponente entgegen der Ausbreitungsrichtung der akustischen WeLLe, die vom WandLer V/1 ausgeht, und

- bei der Anordnung nach Fig. 1b eine Komponente in der Ausbreitungsrichtung der akustischen WeLLe, die vom WandLer W2 ausgeht,

hat. Dies hat zur FoLge, die Frequenz des frequenzverschobenen Ausgangs Lichtst rah Ls bei der Anordnung nach Fig. 1a um + f * und bei der Anordnung nach Fig. 1b -f_ ist. Diese Eigenschaft wird bei der neuen Bragg-ZeLLe ausgenutzt.

In der Fig. 1c ist ein Querschnitt durch die neue Bragg-ZeLLe dargesteLLt. Der Lichtstrahlbewegt sich in die Zeichenebene hinein. Bei der neuen Bragg-ZeLLe sind auf zwei einander benachbarten AußenfLächen der Bragg-ZeLLe jeweiLs ein WandLer W1 und ein WandLer W2 aufgebracht. Diese erzeugen jeweiLs eine akustische WeLLe, die sich in der Bragg-ZeLLe rechtwinkLig schneiden.

Der StrahLengang durch eine soLche Bragg-ZeLLe wird anhand der Fig. 2 erLäutert. Es sind, wie anhand der Fig. 1c beschrieben, auf zwei einander benachbarten FLächen der Bragg-ZeLLe B WandLer W1 und W2 vorhanden, die von elektri sehen SignaLen mit den Frequenzen f und f angesteuert werden.

Es wird gedankLich in das Zentrum der quaderförmigen Bragg-ZeLLe ein rechtwinkLiges Koordinatensystem mit den drei Achsen x, y und ζ geLegt, und zwar so, daß der eine Wandler W1 in einer zur xz-Ebene parallelen Ebene und der

-9-

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andere Wandler W2 in einer zur xy-Ebene parallelen Ebene liegt. Der einfallende Strahl bildet mit der xy-Ebene den Winkel 9 x-, und mit der xz-Ebene den Winkel θ ... Der frequenzverschobene Ausgangsstrahl bildet mit άζη genannten Ebenen wiederum die Winkel Q,* und O_f->-

Die Frequenz des Ausgangs Iichtst rah Is ist gegenüber der Frequenz des einfallenden Lichtstrahls um f^-f^ verschoben. Durch geeignete Wahl von f, und f_ ist es möglich/ einen frequenzverschobenen Lichtstrahl zu erzeugen/ bei dem Frequenzverschiebung klein (z.B. 50 kHz) gegenüber seiner Trägerfrequenz ist. Die winkelmäßige Trennung von dem nicht frequenzverschobenen Strahl hingegen ist groß/ da dieser Winkel durch die großen Werte für f₁ und f_ (z.B. 100 MHz und 100/05 HHz) bestimmt ist.

Bei der Verwendung als Lichtablenkungseinrichtung werden die Frequenzen f₁ und f_? so verändert/ daß der Ausgangslichtstrahl die gewünschte Strahlschwenkung ausführt.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 sind die Flächen der Bragg-Zellen/ auf die die akustischen Wellen auftreffen, gegenüber der Senkrechten auf den Ausbreitungsrichtungen geneigt. Dadurch wird gewährleistet/ daß die akustischen Wellen nach der Reflexion an diesen Flächen so abgelenkt werden/ daß sie mit dem Lichtstrahl nicht mehr in Wechselwirkung treten. Dies wird auch dadurch verhindert/ daß man, anstatt die Flächen zu neigen/ die akustischen Wellen nach dem Durchlaufen der Bragg-Zelle auf ein scha Ilabsorbierendes Material auftreffen läßt. Weiterhin ist es möglich/ diese beiden Lösungen zu kombinieren/ d. h. es sind geneigte Flächen vorgesehen und auf diese ist schallabsorbierendes Material aufgebracht.

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SAD^-ORIGiNAL

Claims

yj ν. ··;- υ υ υ STANDARD ELEKTRIK LORENZ AKTIENGESELLSCHAFT STUTTGART W.Auch-E.Schlemper 5-7 Patentansprüche

1. Akustööptisehe—LichtmoduLations- und/oder Lichtablenkeinrichtung mit einem optisch durch Lässigen Material (B) und einem Wandler (W1) zur Erzeugung von akustischen Wellen in einer vorgegebenen Richtung in diesem Material, dadurch gekennzeichnet,daßein weiterer Wandler (W2) zur Erzeugung von akustischen Wellen vorgesehen ist und daß die beiden Wandler so angeordnet sind, daß sich die Ausbreitungsrichtungen (V (fJ , V (f_)) : der beiden akustischen Wellen in dem optisch durchlässigen Material kreuzen.

2. Akustooptisehe Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbreitungsrichtungen der beiden akustischen Wellen zumindest angenähert aufeinander senkrecht stehen.

3. Akustooptisehe Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2₇ dadurch gekennzeichnet, daß das optisch durchlässige Material von ebenen Flächen begrenzt wird und daß die Flächen, auf die die von den Wandlern ausgehenden akustische Wellen auftreffen, gegenüber den. anderen Flächen Neigungen aufweisen, sie so gewählt sind, daß die auf ihnen auftreffenden akustischen Wellen vom Zentrum des optisch durchlässigen Materials wegreflektiert werden.

ZT/P1-Sm/R - .... ^V ' ^: -2-

09.11.1983

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4. Akustooptisehe Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den oder auf den Bereichen des optisch durchlässigen Materials, die den
Quellen der akustischen Wellen gegenüberliegen, schall-5. absorbierendes Material vorhanden ist.

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