DE3530167C2

DE3530167C2 -

Info

Publication number: DE3530167C2
Application number: DE19853530167
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter 8011 Hohenbrunn De Tegtmeier; Klaus Dipl.-Phys. Dr. 8035 Stockdorf De Dietrich
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1985-08-23
Filing date: 1985-08-23
Publication date: 1990-10-11
Also published as: DE3530167A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einem Modulator für kohärente linearpolarisierte Lichtstrahlung.The invention relates to a coherent modulator linear polarized light radiation.

Aus der DE-OS 19 33 957 ist ein Lichtmodulator insbesondere für Lichtstrahlung im Infrarotbereich beschrieben, der aus einem Halbleiterträger, einer auf dessen einer Seite aufgebrachten Isolierschicht und einer anschließenden Metallschicht besteht, wobei zwischen der Metallschicht und dem Halbleiterträger eine veränderliche Spannung angelegt werden kann. Bei diesem Modulator wird die Tatsache ausgenutzt, das Photonen einer einfallenden Lichtstrahlung mit Elektronen in den Halbleiter zusammenstoßen und diese aus dem unteren Valenzband in das obere Valenzband heben. Die hierfür nötige Energie wird somit der Lichtstrahlung entzogen. Durch Einstellen der Potentialdifferenz zwischen dem Halbleiter und der Metallschicht kann die Konzentration der Elektronen in dem Halbleiter entsprechend verändert werden, so daß eine Modulation der Lichtstrahlung möglich ist. Dieser Modulator kann nach dem Durchstrahl- oder auch nach dem Reflexionsprinzip aufgebaut sein.From DE-OS 19 33 957 a light modulator is especially for Light radiation in the infrared range described, which from a Semiconductor carrier, one applied on one side Insulating layer and a subsequent metal layer, wherein a variable between the metal layer and the semiconductor carrier Voltage can be applied. With this modulator, the fact exploited, the photons with an incident light radiation Electrons collide in the semiconductor and these from the bottom Lift the valence band into the upper valence band. The energy required for this is thus removed from the light radiation. By setting the Potential difference between the semiconductor and the metal layer can the concentration of the electrons in the semiconductor accordingly be changed so that a modulation of the light radiation is possible. This modulator can be used after the transmission or after Principle of reflection.

Aus der DE-AS 12 36 075 ist ebenfalls ein Modulator, insbesondere für Infrarotlicht bekannt, bei dem durch elektrische Steuerung der Zahl der freien Ladungsträger in einem Halbleiter an der Stelle, an der das zu modulierende Licht auf den Halbleiter auftrifft, das Reflexionsvermögen des Halbleiters dadurch geändert wird, daß mit Hilfe einer Vorspannung zusätzlich freie Ladungsträger in den Halbleiter injiziert werden. Dies erfolgt dadurch, daß die Oberfläche des Halbleiters, auf die die Lichtstrahlung auftrifft, mit einer netzartigen Elektrode und die Unterseite mit einer flächigen Elektrode versehen ist, zwischen denen eine Modulationsspannung angelegt wird. Die Lichtstrahlung wird hierbei nur an den Stellen der Oberfläche reflektiert, die nicht von der netzartigen Elektrode bedeckt sind. DE-AS 12 36 075 is also a modulator, in particular for Infrared light is known in which by electrical control of the number of free charge carrier in a semiconductor at the point where that too modulating light strikes the semiconductor, the reflectivity of the semiconductor is changed by using a bias additional free charge carriers are injected into the semiconductor. This takes place in that the surface of the semiconductor on which the Light radiation strikes with a mesh-like electrode and the Bottom is provided with a flat electrode, between which a modulation voltage is applied. The light radiation is here only reflected at the points of the surface that are not from the mesh-like electrode are covered.

Die genannten Lichtmodulatoren arbeiten, bedingt durch die Materialeigenschaften von Halbleitern, in einem relativ engen Infrarotbereich mit Wellenlängen um 10³ bis 10⁴ nm. Für größere Wellenlängen bis in den Bereich von 1 mm sind diese Modulatoren nicht geeignet.The light modulators mentioned work due to the Material properties of semiconductors, in a relatively narrow Infrared range with wavelengths around 10³ to 10⁴ nm. For larger ones These modulators are not wavelengths in the range of 1 mm suitable.

In der Inaugural-Dissertation von Norbert Marschall, veröffentlicht im Juni 1971 von der Johann-Wolfgang-Goethe-Universität in Frankfurt am Main, wurde der Dispersionsverlauf von Oberflächenplasmonen in einem Halbleiter, speziell in Indiumantimonid experimentell bestimmt. Oberflächenplasmonen sind Oberflächenschwingungen eines freien Ladungsträgerplasmas, die längs einer Grenzfläche zwischen dem Plasma und einem äußeren Dielektrikum auftreten. Im Plasma führen diese Wellen zu periodischen Auslenkungen der freien Ladungsträger nahe der Grenzfläche. Eine Anregung von Oberflächenplasmonen ist jedoch nur möglich, wenn die einfallende Lichtstrahlung in der Grenzfläche des Festkörpers größere Wellenzahlvektoren als im Vakuum erhält. Da dieses wegen des Brechungsindex des Festkörpers, der größer als im Vakuum ist, und der damit zusammenhängenden Dielektrizitätskonstanten bei glatten Oberflächen des Festkörpers nicht möglich ist, kann die Festkörperoberfläche entsprechend behandelt werden, z. B. mit einer periodischen Struktur, etwa einem Gitter, oder einer Prismenanordnung überzogen werden. Der einfallenden Lichtstrahlung wird durch das Gitter eine zusätzliche Periodizität erteilt, so daß Wellenzahlvektoren der anregenden Lichtstrahlung zur Verfügung gestellt werden, die obige Bedingung erfüllen.In the inaugural dissertation by Norbert Marschall, published in June 1971 from the Johann Wolfgang Goethe University in Frankfurt am Main, the dispersion course of surface plasmons was in one Semiconductors, experimentally determined especially in indium antimonide. Surface plasmons are surface vibrations of a free one Charge carrier plasmas along an interface between the plasma and an outer dielectric occur. These waves lead in the plasma for periodic deflections of the free charge carriers near the Interface. However, excitation of surface plasmons is only possible if the incident light radiation in the interface of the Solid-state larger wavenumber vectors than in vacuum. Because of this because of the refractive index of the solid, which is larger than in the vacuum, and the associated dielectric constant for smooth ones Surfaces of the solid is not possible Solid surface are treated accordingly, e.g. B. with a periodic structure, such as a grating, or a prism arrangement be covered. The incident light radiation is through the grating issued an additional periodicity, so that wavenumber vectors of stimulating light radiation are provided, the above Meet condition.

In der genannten Dissertation sind Oberflächenplasmonen in Indiumantimonid untersucht worden, jedoch können diese Erkenntnisse allgemein auf Halbleiter, Metallfestkörper und Isolatoren angewandt werden. Praktische Anwendungsbeispiele sind in der Dissertation nicht angegeben; die Experimente dienten hauptsächlich dazu, die Theorie für Halbleiter mit Aussagen im Bereich der Grenzfrequenz und der Plasmafrequenz experimentell zu überprüfen. In the dissertation mentioned, surface plasmons are in Indium antimonide has been studied, however, these findings can be generally applied to semiconductors, metal solids and insulators will. There are no practical application examples in the dissertation specified; the experiments mainly served the theory for Semiconductors with statements in the range of the cutoff frequency and the To test plasma frequency experimentally.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Modulator für kohärente Lichtstrahlung anzugeben, der eine einfache Konstruktion aufweist und hohe Modulationsfrequenzen erreicht.The invention has for its object a modulator for coherent Specify light radiation that has a simple construction and high modulation frequencies reached.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bzw. 6 gelöst.This object is according to the invention by the features of Claims 1 and 6 solved.

Demgemäß wird die gezielte Anregung von Oberflächenplasmonen in einem Festkörper durch auf diesen fallende Lichtstrahlung ausgenutzt. Gemäß Anspruch 1 wird hierzu der Abstand zwischen der periodischen Struktur und der Grenzfläche des Festkörpers entsprechend der gewünschten Modulation variiert.Accordingly, the targeted excitation of surface plasmons in one Solid bodies are exploited by light radiation falling on them. According to Claim 1 is the distance between the periodic structure and the interface of the solid according to the desired one Modulation varies.

Der Abstand zwischen der periodischen Struktur, im einfachsten Fall einem mechanischen Gitter, und der Grenzfläche des Festkörpers wird z. B. zunächst so eingerichtet, daß die unter einem bestimmten Einfallswinkel einfallende kohärente linear polarisierte Lichtstrahlung, z. B. eine transversalmagnetische Welle, von der periodischen Struktur reflektiert wird. Dieser Reflexionsgrad kann üblicherweise bei nahe 100% liegen. Die reflektierte Lichtstrahlung wird dann von einem Empfänger aufgenommen. Wird jetzt der Abstand zwischen der periodischen Struktur und der Grenzfläche des Festkörpers geändert, so wird die Reflexion gemindert, da die einfallende kohärente Lichtstrahlung zum Teil in den Festkörper eintritt und dort in Oberflächenplasmonen umgesetzt wird. Die Absorption kann ebenfalls nahezu 100% erreichen. Hierdurch ist eine Modulation mit hoher Modulationstiefe möglich. Die Absorption ist bei einem Gitter von der Gitterkonstanten, dem Einfallswinkel der Lichtstrahlung und dem Abstand zwischen der periodischen Struktur und der Grenzfläche abhängig. An sich könnte dementsprechend der Absorptionsgrad und damit die Intensität der an der periodischen Struktur reflektierten und dann von dem Empfänger empfangenen Lichtstrahlung durch Variation der drei genannten Parameter geändert werden. The distance between the periodic structure, in the simplest case a mechanical grid, and the interface of the solid is z. B. first set up so that at a certain angle of incidence incident coherent linearly polarized light radiation, e.g. Legs transverse magnetic wave, reflected by the periodic structure becomes. This reflectance can usually be close to 100%. The reflected light radiation is then from a receiver added. Now the distance between the periodic structure and the interface of the solid, so the reflection diminished because the incident coherent light radiation partly in the Solid occurs and is converted there into surface plasmons. The Absorption can also reach almost 100%. This is one Modulation possible with a high modulation depth. The absorption is at a lattice from the lattice constant, the angle of incidence of the Light radiation and the distance between the periodic structure and depending on the interface. Accordingly, the Degree of absorption and thus the intensity of the periodic Structure reflected and then received by the receiver Light radiation changed by varying the three parameters mentioned will.

Zur Erzielung von hohen Modulationsfrequenzen kommt zur Variierung praktisch als Parameter nur der Abstand zwischen periodischer Struktur und Grenzfläche des Festkörpers in Frage. Die Variation dieses Abstands ist relativ einfach und auch mit den gewünschten hohen Frequenzen zu erzielen, z. B. durch elektromagnetische und elektrostatische Kräfte, Wirbelströme, Magnetostriktion bzw. piezoelektrische Ansteuerung o. dgl. Die periodische Struktur ist z. B. ein feines Metallgitter aus Kupfer oder Silber, das freitragend über der Festkörperoberfläche gehalten und durch die genannten Effekte zur Variation des Abstandes angesteuert werden kann. Der Festkörper ist allgemein eine Kristallstruktur, z. B. Cäsiumbromid, kann aber ebenfalls Metall, wie Silber oder Kupfer oder ein Halbleiter, z. B. Bleitellurid sein.To achieve high modulation frequencies, there is variation practically only the distance between periodic structure as parameters and interface of the solid in question. The variation of this distance is relatively simple and also with the desired high frequencies achieve, e.g. B. by electromagnetic and electrostatic forces, Eddy currents, magnetostriction or piezoelectric control or the like. The periodic structure is e.g. B. from a fine metal grid Copper or silver, which is self-supporting over the solid surface held and by the effects mentioned to vary the distance can be controlled. The solid is generally one Crystal structure, e.g. B. cesium bromide, but can also metal, such as Silver or copper or a semiconductor, e.g. B. lead telluride.

Durch Berechnung der Feldverteilung der elektromagnetischen Welle in dem Festkörper und an der Grenzfläche kann gezeigt werden, daß bei einem Abstand zwischen der periodischen Struktur und der Grenzfläche des Festkörpers von etwa 0,8 Wellenlängen der kohärenten Lichtstrahlung eine maximale Kopplung zwischen periodischer Struktur und Festkörper auftritt, so daß die Intensität der angeregten Oberflächenwellen maximal ist. Die eingestrahlte Energie der Lichtstrahlung wird bei diesem Abstand praktisch vollständig in die Energie für die Oberflächenwelle umgesetzt, so daß nahezu keine Lichtstrahlung mehr von der periodischen Struktur reflektiert wird.By calculating the field distribution of the electromagnetic wave in the Solids and at the interface can be shown that at one Distance between the periodic structure and the interface of the Solid body of about 0.8 wavelengths of coherent light radiation maximum coupling between periodic structure and solid occurs so that the intensity of the excited surface waves maximum is. The radiated energy of the light radiation is at this Distance practically completely in the energy for the surface wave implemented so that almost no light radiation from the periodic Structure is reflected.

Die Verwendung von Halbleitern als Festkörper ermöglicht gemäß Anspruch 4 eine elegante Konstruktion für den Modulator, da kein freitragendes Gitter verwendet zu werden braucht. Die periodische Struktur, im allgemeinen ein elektrisch leitendes Gitter, wird als Elektrodenanordnung direkt auf die Oberfläche des Halbleiters aufgebracht. Durch Anlegen einer Spannung können die freien Ladungsträger in dem Halbleiter mehr oder minder weit von der Oberfläche des Festkörpers weggedrückt werden. Da die Oberflächenplasmonen jedoch nur in dem Plasma der freien Ladungsträger auftreten können, wird durch diesen Effekt die Lage der Grenzfläche innerhalb des Halbleiters und damit auch der Abstand zwischen der Gitterelektrode und der Grenzfläche variiert. Zur Einhaltung eines gewissen Mindestabstandes wird zwischen Halbleiter und der Gitterelektrode eine elektrisch isolierende Zwischenschicht vorgesehen.The use of semiconductors as solids enables according to claim 4 an elegant construction for the modulator, since it is not self-supporting Grid needs to be used. The periodic structure, in generally an electrically conductive grid, is called Electrode arrangement directly on the surface of the semiconductor upset. By applying a voltage, the free Charge carriers in the semiconductor more or less from the surface of the solid body are pushed away. Because the surface plasmons, however can only occur in the plasma of the free charge carriers this effect the location of the interface within the semiconductor and hence the distance between the grid electrode and the interface varies. To maintain a certain minimum distance between Semiconductors and the grid electrode an electrically insulating Intermediate layer provided.

Wie oben erwähnt, kann der Reflexions- und Absorptionsgrad dieses Modulators auch noch durch die Gitterkonstante und den Einfallswinkel der kohärenten Lichtstrahlung variiert werden. Dieses kann zur Voreinstellung des Modulators benutzt werden. Durch Drehen des Modulators um das Lot zwischen einfallender und reflektierter Strahlung können hierdurch die effektive Gitterkonstante und die resultierende Längs des Lichtvektors in der Gitterebene variiert werden.As mentioned above, the degree of reflection and absorption can do this Modulators also by the lattice constant and the angle of incidence the coherent light radiation can be varied. This can be used Presetting of the modulator can be used. By turning the Modulator around the solder between incident and reflected radiation can thereby the effective lattice constant and the resulting Can be varied along the light vector in the grating plane.

Zur Beeinflussung der Modulation ist es ferner denkbar, unterschiedliche Gitterstrukturen zu verwenden. So könnte z. B. das Gitter in mehrere Teilgitter mit jeweils unterschiedlichen Gitterkonstanten unterteilt werden; ebenso wäre ein Gitter mit ortsabhängiger Gitterkonstante denkbar.To influence the modulation, it is also conceivable to use different ones To use lattice structures. For example, B. the grid in several Sub-lattice divided with different lattice constants will; a grid with a location-dependent grid constant would also be conceivable.

Zur Erhöhung der Modulationstiefe kann die von dem Modulator reflektierte Lichtstrahlung über einen gegenüberliegenden Reflektor ein oder mehrere Male wieder auf den Modulator geleitet werden, bevor die Lichtstrahlung zu dem Empfänger weitergeleitet wird. Der Reflektor kann selbst als Modulator ausgebildet sein.The modulator can be used to increase the modulation depth reflected light radiation via an opposite reflector or be passed back to the modulator several times before the Light radiation is forwarded to the receiver. The reflector can itself be designed as a modulator.

Bei dem durch den Patentanspruch 6 beschriebenen Modulator wird zwischen dem Festkörper und der periodischen Struktur, im allgemeinen wiederum einem Gitter, eine Schicht aus elektrooptisch aktivem Material angeordnet. Die Dicke dieser Schicht bestimmt einen Grundabstand zwischen Gitter und Festkörper, so daß in diesem Oberflächenwellen angeregt werden können. Durch Ansteuerung des elektrooptisch aktiven Materials kann der optische Weg in diesem Material, z. B. die Phase der eingestrahlten Lichtstrahlung und damit auch die Dielektrizitätskonstante sowie der Brechungsindex geändert werden, so daß sich wiederum Wechselwirkungen zwischen einfallender Lichtstrahlung und dem freien Plasma des Festkörpers ergeben. Auch auf diese Weise kann die Lichtstrahlung schnell und für einen breiten Spektralbereich moduliert werden.In the modulator described by claim 6 is between the solid and the periodic structure, generally again a grid, a layer of electro-optically active material arranged. The thickness of this layer determines a basic distance between lattice and solid, so that in this surface waves can be stimulated. By controlling the electro-optically active Material can be the optical path in this material, e.g. B. the phase of radiated light radiation and thus also the dielectric constant and the refractive index are changed so that again Interactions between incident light radiation and the free Plasma of the solid result. In this way too Light radiation quickly and modulated for a wide spectral range will.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.Further embodiments of the invention emerge from the subclaims forth.

Die Erfindung ist in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung stellen dar:The invention is in exemplary embodiments based on the Drawing explained in more detail. In the drawing:

Fig. 1 einen Festkörper mit einem darüber liegenden Gitter zur Erläuterung des Funktionsprinzipes eines Modulators gemäß der Erfindung; FIG. 1 is a solid with an overlying grid to explain the functional principle of a modulator according to the invention;

Fig. 2 die Reflexion einer kohärenten Laserstrahlung an einer Anordnung gemäß Fig. 1, aufgetragen in Abhängigkeit des Abstandes zwischen dem Gitter und dem Festkörper; FIG. 2 shows the reflection of a coherent laser radiation on an arrangement according to FIG. 1, plotted as a function of the distance between the grating and the solid;

Fig. 3 schematisch den Aufbau eines Modulators gemäß der Erfindung in einem ersten Ausführungsbeispiel; Fig. 3 shows schematically the structure of a modulator according to the invention in a first embodiment;

Fig. 4 bis 7 jeweils unterschiedliche Ausführungsformen eines Modulators gemäß der Erfindung; FIGS. 4 to 7 each show different embodiments of a modulator according to the invention;

Fig. 8 eine schematische Darstellung zur Voreinstellung eines Modulators gemäß der Erfindung mit einem Kreuzgitter. Fig. 8 is a schematic representation for presetting a modulator according to the invention with a cross grating.

In Fig. 1 ist ein Festkörper 1 und ein Gitter 2 dargestellt, das in einem Abstand d oberhalb der freien Oberfläche 3 des Festkörpers 1 angeordnet ist. Der Abstand d ist so gewählt, daß bei Einfall einer kohärenten Lichtstrahlung 4, in diesem Falle einer transversalmagnetischen Laserstrahlung, unter dem Winkel α gegen das Einfallslot 5 Gitter und Festkörper bei der Reflexion und Absorption der Laserstrahlung zusammenarbeiten. Die von Gitter und Festkörper reflektierte Lichtstrahlung wird in einem Empfänger 6 aufgenommen.In Fig. 1, a solid 1 and a grid 2 is shown, which is arranged at a distance d above the free surface 3 of the solid 1 . The distance d is selected so that when a coherent light radiation 4 , in this case a transverse magnetic laser radiation, is incident, the grating and solid body cooperate at an angle α against the incident solder 5 in the reflection and absorption of the laser radiation. The light radiation reflected by the grating and solid body is received in a receiver 6 .

Das Gitter 2 hat eine Gitterkonstante g, die Ausbreitungskonstante an der Oberfläche des Festkörpers 1 ist mit β bezeichnet. Der Wellenzahlvektor im Vakuum ist k, der Wellenzahlvektor im Festkörper ist mit k _p bezeichnet. Der Wellenzahlvektor k _p kann mit den bisherigen Parametern ausgedrückt werden zuThe grating 2 has a grating constant g , the propagation constant on the surface of the solid body 1 is denoted by β . The wavenumber vector in the vacuum is k , the wavenumber vector in the solid is denoted by k _p . The wavenumber vector k _p can be expressed using the previous parameters

mit n als ganzer Zahl entsprechend den räumlichen Harmonischen. Bei bestimmtem Einfallswinkel, bestimmter Gitterkontante und bestimmtem Abstand zwischen Gitter und Festkörperoberfläche nimmt der Wellenzahlvektor k _p den gleichen Wert wie die Ausbreitungskonstante β in dem Festkörper an, so daß der Kopplungsgrad zwischen Gitter und Festkörper maximal ist. Die Lichtstrahlung wird praktisch nicht mehr zum Empfänger 6 reflektiert.with n as an integer corresponding to the spatial harmonics. With a certain angle of incidence, a certain grating constant and a certain distance between the grating and the solid surface, the wave number vector k _p assumes the same value as the propagation constant β in the solid, so that the degree of coupling between the grating and the solid is maximum. The light radiation is practically no longer reflected to the receiver 6 .

In Fig. 2 ist der Reflexionsgrad über dem Abstand zwischen dem Gitter 2 und der Oberfläche 3 des Festkörpers 1 in Einheiten der Wellenlänge λ der kohärenten Lichtstrahlung aufgetragen. Man sieht, daß die Reflexion ein Minimum zwischen 0,6 und 0,8 Wellenlängeneinheiten einnimmt und zu beiden Seiten dieses Minimums auf den Wert 1 ansteigt. Die beiden Seiten links und rechts des Minimums sind mit Bereich I und Bereich II bezeichnet. Liegt das Gitter direkt auf der Oberfläche des Festkörpers, so wird die einfallende Lichtstrahlung vollständig reflektiert, ebenso dann, wenn der Abstand zwischen Gitter und Festkörperoberfläche mehr als 1,6 Wellenlängen beträgt. Bei Zwischenwerten erzeugt die auf die Anordnung gemäß Fig. 1 einfallende Lichtstrahlung in dem Festkörper Oberflächenplasmonen, d. h. eine Oberflächenwelle, die mit dem Gitter wechselwirkt. Oberhalb des Wertes von etwa 1,6 Wellenlängen für den Abstand zwischen Gitter und Oberfläche des Festkörpers ist für die Reflexion der Lichtstrahlung nur mehr das Gitter verantwortlich. Eine Wechselwirkung zwischen Gitter und Festkörper tritt nicht mehr auf. eine Modulation einer auf die Anordnung gemäß Fig. 1 auffallenden Lichtstrahlung kann durch Variation des Abstandes zwischen Gitter und Festkörperoberfläche im Bereich I bzw. im Bereich II erfolgen. Welcher Bereich für die Modulation gewählt wird, hängt von dem Anwendungsfall ab; für die Modulation ist es jedoch meistens günstiger, den Bereich I zu wählen, demnach den Bereich, in dem das Gitter bei Totalreflexion direkt auf der Festkörperoberfläche aufliegt.In FIG. 2, the reflectance is over the distance between the grid 2 and the surface 3 of the solid body 1 in units of the wavelength of the coherent light radiation λ applied. It can be seen that the reflection takes a minimum between 0.6 and 0.8 wavelength units and rises to the value 1 on both sides of this minimum. The two sides to the left and right of the minimum are labeled area I and area II. If the grating lies directly on the surface of the solid, the incident light radiation is completely reflected, also when the distance between the grating and the solid surface is more than 1.6 wavelengths. At intermediate values, the light radiation incident on the arrangement according to FIG. 1 generates surface plasmons in the solid, ie a surface wave which interacts with the grating. Above the value of about 1.6 wavelengths for the distance between the grating and the surface of the solid, only the grating is responsible for the reflection of the light radiation. An interaction between lattice and solid no longer occurs. A light radiation incident on the arrangement according to FIG. 1 can be modulated by varying the distance between the grating and the solid surface in region I or in region II. Which range is selected for the modulation depends on the application; for the modulation, however, it is usually more favorable to choose the area I, accordingly the area in which the grating rests directly on the solid surface during total reflection.

In Fig. 3 ist ein Modulator 10 dargestellt, bei dem zur Modulation der einfallenden Lichtstrahlung 4 die obigen Erkenntnisse ausgenutzt sind. Der Modulator 10 weist einen Isolator 11 als Grundplatte auf, auf der eine umlaufende Elektrode 12 vorgesehen ist. Diese Elektrode 12 umgibt den auf dem Isolator 11 angeordneten Festkörper 1 z. B. aus Kupfer oder Silber, und trägt das elektrisch leitende Gitter 2. Die Modulationsspannung wird an zwei Anschlüssen 13 und 14 zwischen Festkörper 1 und Elektrode 12 angelegt. Die Änderung des Abstandes Gitter-Festkörper erfolgt durch elektrostatische Kräfte kapazitiv. FIG. 3 shows a modulator 10 in which the above findings are used to modulate the incident light radiation 4 . The modulator 10 has an insulator 11 as a base plate, on which a circumferential electrode 12 is provided. This electrode 12 surrounds the solid body 1 arranged on the insulator 11 , for. B. made of copper or silver, and carries the electrically conductive grid 2nd The modulation voltage is applied to two connections 13 and 14 between solid body 1 and electrode 12 . The change in the grid-solid distance takes place capacitively by electrostatic forces.

In Fig. 4 ist ein Modulator 10 a dargestellt, bei dem der Abstand zwischen dem freitragenden Gitter 2 und der Oberfläche des Festkörpers 1 mit Hilfe von Wirbelströmen eingestellt wird. Der Modulator 10 a weist einen topfförmigen Träger 15 auf, über dessen Ränder das freitragende Gitter 2 gespannt ist. In der Mitte des Trägers 15 ist eine Säule 16 vorgesehen, die auf ihrer Oberfläche den Festkörper 1 trägt. In dem Zwischenraum zwischen Säule 16 und den Außenwänden des Trägers 15 ist eine Elektrospule 17 angeordnet, an deren Anschlüsse 13 und 14 die Modulationsspannung angelegt wird. Der Abstand zwischen Gitter und Festkörper wird ähnlich wie bei einer Topfspule dynamisch durch die Kraftwirkungen der Wirbelströme variiert, die in dem Gitter und dem Träger bei Anlegen der Modulationsspannung auftreten.In FIG. 4, a modulator 10 is shown a, in which is set the distance between the self-supporting grid 2 and the surface of the solid body 1 by means of eddy currents. The modulator 10 a has a cup-shaped support 15 , over the edges of which the self-supporting grid 2 is stretched. In the middle of the carrier 15 , a column 16 is provided which carries the solid 1 on its surface. In the space between the column 16 and the outer walls of the carrier 15 , an electric coil 17 is arranged, at the terminals 13 and 14 of which the modulation voltage is applied. The distance between the grid and the solid body is varied dynamically, similarly to a pot coil, by the force effects of the eddy currents that occur in the grid and the support when the modulation voltage is applied.

In Fig. 5 ist ein Modulator 10 b gezeigt, der wiederum einen topfförmigen Träger 15 b aufweist. Über den Rand des Trägers 15 b ist das Gitter 2 gespannt. In der Mitte des Trägers 15 b ist eine Piezokeramik 18 angeordnet, die auf ihrer dem Gitter 2 zugewandten Oberfläche als auch auf ihrer Unterseite jeweils eine Elektrode 19 bzw. 20 mit Anschlüssen 13 bzw. 14 trägt, zwischen denen die Modulationsspannung angelegt wird. Durch die Modulationsspannung wird die effektive Länge der Piezokeramik 18 und damit der Abstand zwischen dem Gitter und dem Festkörper 1 variiert. Der Festkörper kann im übrigen selbst Teil der Piezokeramik 18 sein, z. B. die Elektrode 19. Es ist auch möglich, den Festkörper 1 aus Halbleitermaterial oberhalb der Elektrode 19 anzuordnen.In Fig. 5, a modulator 10 is shown b, which in turn comprises a cup-shaped support 15 b. The grid 2 is stretched over the edge of the carrier 15 b . In the middle of the carrier 15 b , a piezoceramic 18 is arranged, which on its surface facing the grid 2 and on its underside each carries an electrode 19 or 20 with connections 13 or 14 , between which the modulation voltage is applied. The effective length of the piezoceramic 18 and thus the distance between the grating and the solid body 1 are varied by the modulation voltage. The solid body can itself be part of the piezoceramic 18 , z. B. the electrode 19 . It is also possible to arrange the solid body 1 made of semiconductor material above the electrode 19 .

Bei den obigen Ausführungsbeispielen wurde der Abstand durch mechanische Bewegung des Gitters bzw. Des Festkörpers variiert.In the above embodiments, the distance by mechanical movement of the grid or the solid varies.

In Fig. 6 ist ein Modulator 10 c dargestellt, der ohne bewegliche Teile auskommt. Der Modulator weist wiederum einen Festkörper 1, in diesem Falle einen Halbleiter z. B. aus Bleitellurit (PbTe) auf, dessen Oberfläche 3 mit einer dünnen Isolierschicht 21 belegt ist. Auf dieser Isolierschicht 21 ist eine Gitterstruktur 2 aus elektrisch leitendem Material aufgebaut, in diesem Falle ein herkömmliches Strichgitter. Die Unterseite des Halbleiters 1 ist mit einer flächigen Elektrode 22 versehen. Die Gitterstruktur 2 ist mit einem Anschluß 13, die flächige Elektrode 22 mit einem Anschluß 14 verbunden, zwischen denen die Modulationsspannung angelegt wird.In Fig. 6, a modulator 10 c is shown, which manages without moving parts. The modulator in turn has a solid 1 , in this case a semiconductor z. B. from lead tellurite (PbTe) whose surface 3 is covered with a thin insulating layer 21 . A lattice structure 2 made of electrically conductive material, in this case a conventional line grating, is built up on this insulating layer 21 . The underside of the semiconductor 1 is provided with a flat electrode 22 . The grid structure 2 is connected to a terminal 13 , the flat electrode 22 to a terminal 14 , between which the modulation voltage is applied.

Der beschriebene Modulator 10 c kann in herkömmlicher Halbleiter- und Ätztechnologie aufgebaut werden. Die Isolierschicht 21 zwischen der Gitterstruktur 2 und dem Halbleiter 1 dient dazu, einen Mindestabstand zwischen dem Gitter 2 und der freien Oberfläche 3 des Halbleiters herzustellen, wobei dieser Mindestabstand entsprechend Fig. 2 einem Ausgangswert für die Steuerung der Modulation entspricht. Wird zwischen die Anschlüsse 13 und 14 eine Spannung gelegt, so wird in dem Halbleiter 1 die Verteilung der freien Elektronen gegenüber dem Zustand ohne Anliegen einer Spannung gestört. Bildlich gesprochen können je nach Spannung die freien Elektronen mehr oder minder von der Gitterstruktur 2 weggedrückt werden. Da die Wechselwirkung zwischen einer einfallenden Lichtstrahlung und dem Festkörper zur Erzeugung von Oberflächenwellen erst an dieser Grenzfläche eintritt, entspricht dieses einer elektronischen Variierung des Abstandes zwischen Gitter und Grenzfläche des Festkörpers.The described modulator 10 c can be constructed using conventional semiconductor and etching technology. The insulating layer 21 between the lattice structure 2 and the semiconductor 1 serves to establish a minimum distance between the lattice 2 and the free surface 3 of the semiconductor, this minimum distance corresponding to FIG. 2 corresponding to an output value for controlling the modulation. If a voltage is applied between the terminals 13 and 14 , the distribution of the free electrons in the semiconductor 1 is disturbed compared to the state without a voltage being applied. Metaphorically speaking, depending on the voltage, the free electrons can be pushed more or less away from the lattice structure 2 . Since the interaction between an incident light radiation and the solid to generate surface waves only occurs at this interface, this corresponds to an electronic variation of the distance between the grating and the interface of the solid.

Die Modulation der Lichtstrahlung durch elektronische Änderung der Ladungsdichte im Bereich der Oberfläche des Festkörpers unterhalb des Gitters kann mit mehreren physikalischen Effekten erreicht werden. Eine Möglichkeit ist z. B. die Ausnutzung des Prinzips des Feldeffekttransistors an heterogenen oder homogenen Festkörpern oder der Aufbau des Halbleiters aus entsprechend angereicherten bzw. verarmten Materialzonen. Die sTeuerung der Modulation kann durch elektrische oder magnetische Felder erfolgen.The modulation of light radiation by electronic change the charge density in the area of the surface of the solid below the grid can be with several physical Effects can be achieved. One possibility is e.g. B. the exploitation of the principle of the field effect transistor heterogeneous or homogeneous solids or the structure of the semiconductor from appropriately enriched or impoverished material zones. The modulation can be controlled by electrical or magnetic fields.

Bei allen Ausführungsbeispielen wurde der Abstand zwischen Gitter und der für die Erzeugung von Oberflächenwellen wirksamen Grenzfläche geändert. Dieser Effekt kann auch erzielt oder noch unterstützt werden, wenn anstelle des bei den mechanischen Ausführungsformen vorhandenen Luftspaltes der Bereich zwischen Gitter und Festkörper durch ein elektrooptisch aktives Material, z. B. durch Flüssigkristalle ersetzt wird, bei denen der Brechungsindex oder die Dielektrizitätskonstante durch elektrische Felder gesteuert eingestellt werden können. Eine solche Möglichkeit ist schematisch in Fig. 7 in der rechten Hälfte angedeutet. Das elektrooptische Material ist hierbei mit 30 bezeichnet.In all of the exemplary embodiments, the distance between the grating and the interface effective for generating surface waves was changed. This effect can also be achieved or supported if, instead of the air gap present in the mechanical embodiments, the area between the grid and the solid body is replaced by an electro-optically active material, e.g. B. is replaced by liquid crystals, in which the refractive index or the dielectric constant can be adjusted controlled by electric fields. Such a possibility is indicated schematically in the right half in FIG. 7. The electro-optical material is designated 30 here.

In dieser Fig. 7 ist ein Modulator 10 d mit Mehrfachreflexion dargestellt. Der Modulator 10 d ist ähnlich wie oben beschrieben aufgebaut. Die auf den Modulator 10 d einfallende Lichtstrahlung 4 wird auf einen Reflektor 31 umgelenkt und von diesem wieder auf den Modulator 10 d, wo die Lichtstrahlung erneut moduliert wird. Dies kann ein- oder mehrmal erfolgen, bis der Lichtstrahl dann auf den Empfänger 6 gelenkt wird. Der Reflektor 31 kann im übrigen als Modulator ähnlich dem Modulator 10 d aufgebaut sein.In this Fig. 7, a modulator 10 d is shown with multiple reflection. The modulator 10 d is constructed similarly to that described above. The light radiation 4 incident on the modulator 10 d is deflected onto a reflector 31 and from there onto the modulator 10 d , where the light radiation is modulated again. This can be done one or more times until the light beam is then directed onto the receiver 6 . The reflector 31 can also be constructed as a modulator similar to the modulator 10 d .

In Fig. 8 ist schematisch ein Kreuzgitter 2 dargestellt, dessen Gitterlinien in x- bzw. y-Richtung verlaufen. Die hierzu senkrechte z-Richtung stimmt mit der Richtung des oben erwähnten Einfallslotes 5 überein. Der Einfallswinkel der Lichtstrahlung 4 gegenüber der z-Richtung 5 ist mit α bezeichnet; der auf die Gitterfläche projizierte Lichtvektor hat einen Winkel γ. Bei den obigen Ausführungsbeispielen wurde dieser Winkel γ als Null angenommen, so daß die Gitterkonstante den Abständen der Gitterlinie in x- und y-Richtung entsprach. Durch einen von Null unterschiedlichen Winkel γ kann die effektive Gitterkonstante verändert werden, so daß diese nicht mehr mit den tatsächlichen Abständen der Gitterlinien übereinstimmt. Eine weitere Möglichkeit zur Voranpassung des Modulators kann durch Verdrehen des Modulators um die y-Richtung, gegebenenfalls um die x-Richtung erfolgen. FIG. 8 schematically shows a cross grating 2 , the grating lines of which run in the x or y direction. The perpendicular z direction corresponds to the direction of the above-mentioned perpendicular 5 . The angle of incidence of the light radiation 4 with respect to the z direction 5 is denoted by α ; the light vector projected onto the grating surface has an angle γ . In the above exemplary embodiments, this angle γ was assumed to be zero, so that the grating constant corresponded to the distances of the grating line in the x and y directions. The effective lattice constant can be changed by an angle γ other than zero, so that it no longer corresponds to the actual spacing of the lattice lines. Another possibility for pre-adjusting the modulator can be done by rotating the modulator around the y direction, possibly around the x direction.

Claims

1. Modulator for coherent linearly polarized light radiation

with a periodic structure (grating 2 ) which at least partially reflects the obliquely incident light radiation ( 4 ),
- With a solid ( 1 ) in which a plasma of free charge carriers is present and on which the periodic structure ( 2 ) is applied and which has an interface ( 3 ) which is located at a distance from the periodic structure ( 2 ) and along the surface plasmon generated by the periodic structure ( 2 ) by means of the incident light radiation ( 4 ), and
- With a device ( 13 to 22 ) for changing the distance between the interface ( 3 ) and the periodic structure.

2. Modulator according to claim 1, characterized in that the periodic structure is a grid ( 2 ) which is located as a structure on or cantilevered above the surface of the solid ( 1 ).

3. Modulator according to claim 1 or 2, characterized in that the distance between the periodic structure ( 2 ) and the interface ( 3 ) of the solid ( 1 ) by mechanical displacement of the periodic structure ( 2 ) and / or the solid ( 1 ) is changeable.

4. Modulator according to claim 1, characterized in that the periodic structure is an electrically conductive grid ( 2 ) which is applied with the interposition of an insulating layer ( 21 ) on the solid body ( 1 ), the solid body ( 1 ) being a semiconductor and the insulating layer ( 21 ) ensures a minimum distance between the surface of the semiconductor ( 1 ) and the grid ( 2 ), and that the interface ( 3 ) within the solid ( 1 ) can be adjusted by moving the free charge carriers to change the distance.

5. Modulator according to claim 4, characterized in that a first electrode ( 22 ) on the side of the solid body ( 1 ) facing away from the electrically conductive grid ( 2 ) is provided that the electrically conductive grid ( 2 ) forms a second electrode, and that a modulation voltage for shifting the free charge carriers can be applied between the electrodes.

6. Modulator for coherent linearly polarized light radiation

with a periodic structure (grating 2 ) which at least partially reflects the obliquely incident light radiation ( 4 ),
- With a solid ( 1 ) in which a plasma of free charge carriers is present and on which the periodic structure ( 2 ) is applied and which has an interface ( 3 ) which is located at a distance from the periodic structure ( 2 ) and along the surface plasmons are generated by the periodic structure by means of the incident light radiation and
- With a layer ( 30 ) made of electro-optically active material between the periodic structure ( 2 ) and the solid ( 1 ), the refractive index or dielectric constant of this layer ( 30 ) being controllable by electrical or magnetic fields.