DE4108966C2 - Elektro-optischer interferometrischer Lichtmodulator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektro-optischen interferome­ trischen Lichtmodulator.

Aus der US 45 04 121 ist ein elektro-optischer interfero­ metrischer Lichtmodulator bekannt, der mindestens einen Kristall mit mindestens drei ebenen Stirnseiten aufweist, dessen Brechzahl durch das an ihn angelegte elektrische Feld veränderbar ist. Bei dem aus der US 4 504 121 bekannten Lichtmodulator ist weiter bekannt, daß ein Lichtstrahl schrägwinklig auf eine erste Seite einfällt, der an dieser ersten Seite in einen ersten, reflektierten Strahl und einen zweiten Strahl aufgespalten wird, wobei mindestens eine Stirnseite so ausgebildet ist, daß der zweite Strahl nach Reflexion an der Stirnseite dem ersten, reflektierten Strahl überlagert wird und mit diesem interferiert.

Der aus der US 4 504 121 bekannte elektro-optische interfero­ metrische Lichtmodulator ist zugleich als Schalter zwischen verschiedenen Ein- und Ausgängen ausgelegt.

Die Anordnung weist zwei elektro-optische Kristalle mit Elektroden auf ihren ebenen, parallelen Deckflächen auf, die jeweils vier Stirn­ flächen benötigen, von denen eine mit einer dielektrischen Schicht belegte jeweils direkt am anderen Kristall anliegt. Eine zu dieser Stirnfläche parallele zweite Stirnfläche dient jeweils als Vollspiegel.

Ein- und Austritt erfolgen senkrecht durch die beiden weiteren Stirnflächen. Jeder an einem Ausgang zur Interferenz mit einem anderen Strahl gelangende Strahl muß an der gemein­ samen teilreflektierenden Stirnfläche mindestens zweimal reflektiert oder gebrochen werden, so daß jeder dieser Strahlen nicht mehr als 25 Prozent der Eingangsamplitude aufweisen kann. Weitere Verluste entstehen durch nichtideale Verspiegelung und Justage aller acht Stirnseiten.

Reine Modulatoren werden üblicherweise als Mach-Zehnder- Interferometer aufgebaut, in dessen einem Arm ein elektro- optischer Kristall angeordnet ist. Durch den geringen Effekt der Feldstärke auf den Brechungsindex sind für einen hohen Modulationsgrad jedoch relativ große Kristallabmessungen und Betriebsspannungen erforderlich.

Ein Mach-Zehnder Modulator in Wellenleiter-Technik ist aus Herman A. Haus, Waves and Fields in Optoelectronics, Englewood Cliffs, NY, USA 1984, Seite 334-338 bekannt.

Aus der EP-A1-28 5538 ist ein elektro-optischer Modulator mit einem schrägwinklig auf eine erste Stirnseite einfallenden Lichtstrahl bekannt. Dieser wird jedoch in Transmission betrieben und es wird keine Aufspaltung in einen reflektierten und einen gebrochenen Strahl benutzt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen elektro-optischen interferometrischen Lichtmodulator von einfachem und unempfindlichem Aufbau anzugeben, der nur einen kleinen elektro-optischen Kristall benötigt und mit geringen Betriebsspannungen auskommt und dabei minimale Lichtverluste hat.

Die Lösung gelingt durch den Lichtmodulator nach dem Anspruch 1. Dabei ist es vorteilhaft, wenn gemäß Anspruch 2 der Kristall zwei zu den Stirnseiten senkrechte Deckseiten hat, auf den Deckseiten Elektroden angebracht sind, die an eine steuerbare Spannungsquelle angeschlossen sind, und der Kristall Pockels- Effekt zeigt.

Merkmale weiterer vorteilhafter Ausführungsformen sind einzeln und in Kombination die lineare Polarisation des einfallenden Lichtstrahls, eine dielektrische Strahlteiler­ schicht auf der ersten Stirnseite, die damit in etwa erreichte Amplitudenanpassung der zwei interferierenden Lichtstrahlen (Anspruch 5), deren Amplitude von jeweils mehr als 30 Prozent der Amplitude des einfallenden Lichtstrahls, zusätzliche reflektierende Stirnflächen im Kristall (Anspruch 7), die Nutzung der Totalreflexion und die Einsparung von Kristallvolumen durch weitere Stirnflächen.

Der Modulator ist als ein modifiziertes Fizeau-Interferometer aufzufassen. Der Modulator besteht nur aus einem Kristall. Es erfolgt der Eintritt der Lichtwelle in schiefer Inzidenz, und zwar aus zwei Gründen: erstens soll die Amplitude des primär reflektierten Strahles dadurch erhöht werden, zweitens soll dadurch die Strahlführung des primär gebrochenen Strahls im Modulator so eingerichtet werden, daß er nach mehrfacher Reflexion im Inneren schließlich durch Brechung an der Ein­ trittsstelle des Primärstrahls einen zweiten Strahl erzeugt, der sich mit dem primär reflektierten Strahl interferenzfähig überlagert, d. h. nicht nur richtungsmäßig, sondern auch räum­ lich mit diesem zusammenfällt, drittens wird dadurch der Lichtweg im Kristall erhöht und damit der integrierte elektro-optische Effekt.

Durch weitere Spiegelflächen ist der dritte Effekt ohne weiteres noch steigerbar.

Die Erfindung wird in der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch die Mittel­ ebene, senkrecht zu den Stirnseiten eines Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 zeigt einen dazu orthogonalen Schnitt desselben Ausführungsbeispiels,

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer zusätzlichen reflektierenden Stirnseite in einer Darstellung wie Fig. 1,

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform mit sechs Stirn­ flächen zur Einsparung von Kristallvolumen in einer Darstellung wie Fig. 1.

Gleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist der Schnitt durch einen Kristall (10) in Gestalt einer Dreiecks-Säule mit drei Stirnseiten (1, 2, 3) dargestellt. Die Deckseiten (11 und 12) sind mit Elektroden (111 und 121) belegt und über Anschlußleitungen (112 und 122) mit einer Spannungsquelle U, die entsprechend der gewünschten Modulation steuerbar ist, angeschlossen, wie Fig. 2 zeigt.

Der Kristall (10) hat eine typische Dicke von bis zu 1 mm bei Kantenlängen von 5 mm bis 10 mm.

Alle bekannten elektro-optischen Kristalle sind geeignet, insbesondere sind die Materialien und andere Details der o.g. US 45 04 121 geeignet. Demnach ist ein Lithiumniobatkristall mit parallel zu den Stirnseiten (1, 2, 3) orientierter Kristallachse geeignet, mit Steuerspannungen U von einigen zehn Volt und für Modulationsfrequenzen bis in den Gigahertz­ bereich.

Auf die erste Stirnseite (1) trifft schiefwinklig der ein­ fallende Lichtstrahl (4), der vorzugsweise zur Vermeidung von Verlusten parallel zur Stirnseite (1) linear polarisiert ist, und wird aufgeteilt in den reflektierten Strahl (41) und den gebrochenen Strahl (42). Der Anteil des reflektierten Strahls (41) kann durch geeignete Ausführung einer teilverspiegelten Schicht auf der Stirnseite (1) bestimmt werden, beispiels­ weise zu 37%.

Hat der gebrochene Strahl (42) im Kristall - u. a. durch die Reflexion an den Stirnseiten (2 und 3) und an der Innenseite der Stirnseite (1) vor dem Austritt als Strahl (43) - 50% Verlust, so sind dann die Amplituden des reflektierten Strahls (41) und des austretenden Strahls (43) gerade gleich groß.

Der Einfallswinkel des einfallenden Strahls (4), sein Auf­ treffort (40) auf der ersten Seitenfläche (1), die Brechzahl des Kristalls (10), Winkel und Längen der Seitenflächen (1, 2, 3), sind so aufeinander abgestimmt, daß der gebrochene Strahl (42) nach Reflexion an den Stirnseiten (1 und 2) an den Auftreffort (40) des einfallenden Strahls (4) zurück­ gelangt und nach der Brechung beim Austritt aus dem Kristall (10) als austretender Strahl (43) mit dem reflektierten Strahl (41) überlagert wird und so nach Art des Fizeau- Interferometers Interferenz auftritt. Aufgrund der Dispersion gilt eine solche Auslegung für eine bestimmte Wellenlänge des einfallenden Strahls (4). Vorteilhafterweise sind die Polari­ sationsrichtung des einfallenden Strahls (4), die Achsen­ richtung des Kristalls (10), die Schnittlinien der die Seitenflächen (1, 2, 3) enthaltenden Ebenen und das elektrische Feld zwischen den Elektroden (111 und 121) zueinander parallel.

Damit werden die Reflexionsverluste minimiert und die Wirkung der angelegten Spannung U auf den optischen Weg des gebrochenen Strahls (42) im Kristall (10) und damit die Modulation optimiert.

Durch kleine Variation des Einfallswinkels des einfallenden Strahls (4) oder seines Auftrefforts (40) kann der Gangunter­ schied bei der Spannung U = OV so einjustiert werden, daß er ein ungerades Vielfaches einer Viertelwellenlänge des ein­ fallenden Strahls ist, so daß die Ausgangsintensität der interferierten Strahlen (41 und 43) in erster Näherung linear mit der Spannung U ansteigt.

In Fig. 3 ist in einem Ausführungsbeispiel dargestellt, wie durch Ein­ führung einer zusätzlichen spiegelnden Stirnseite (5) - bei gleichzeitiger Lageanpassung der Stirnseiten (2 und 3) - der Weg des gebrochenen Strahls (42) im Kristall (10) erhöht werden kann, ohne daß dieser größer wird.

Die Geometrie ist wiederum so gewählt, daß der austretende Strahl (43) mit dem reflektierten Strahl (41) zusammenfällt und interferiert.

Fig. 4 zeigt eine weitere Abwandlung der Anordnung nach Fig. 1, bei der der Kristall (10) verkleinert ist bei gleichbleibendem Lichtweg des gebrochenen Strahls (42). Zusätzliche Stirnflächen (61, 62 und 63) begrenzen den Kristall (10) außerhalb des Lichtwegs.

Natürlich können die Maßnahmen nach Fig. 3 und 4 auch kombiniert werden und ist die Zahl der spiegelnden Stirnflächen (2, 3, 5) und der zusätzlichen Stirnflächen (61, 62 und 63) frei wählbar.

Die spiegelnden Stirnflächen (2, 3, 5) können mit Metallspiegeln bedampft sein oder es kann die Totalreflexion ausgenutzt werden.

Ein erfindungsgemäßer elektro-optischer Lichtmodulator aus KTiOPO₄ - Kristall von 5 mm×7 mm und 1 mm Dicke in Richtung der polaren a₃-Achse mit einem Einfallswinkel von 45° und drei Reflexionen des gebrochenen Strahls (42) - hat eine wirksame Brechzahl u₃=1,813 bei 633 nm und ist so einjustiert, daß der primäre Gangunterschied von reflektiertem Strahl (41) und austretendem Strahl (43) gleich (2 m+1) · λ/4 mit m als ganzer Zahl und der Wellenlänge λ ist. Die Kapazität zwischen den Elektroden ist 15 pF, die Schwellenspannung 1 mV, die Viertelwellenspannung 30 V und der erreichte Modulationsgrad 60%.

Claims (10)

1. Elektro-optischer interferometrischer Lichtmodulator, mit

• - einem einzigen Kristall (10) mit mindestens drei ebenen Stirnseiten (1, 2, 3), dessen Brechzahl durch das an ihn angelegte elektrische oder magnetische Feld veränderbar ist,
• - einem schrägwinklig auf eine erste Stirnseite (1) einfallenden Lichtstrahl (4), der an dieser ersten Stirnseite (1) in einen reflektierten Strahl (41) und einen gebrochenen Strahl (42) aufgespalten wird,

wobei mindestens zwei weitere Stirnseiten (2, 3) des Kristalls (10) so aus­ gebildet sind, daß der gebrochene Strahl (42) nach Reflexion an den zwei weiteren Stirnseiten (2, 3) und zweiter Brechung an der ersten Stirnseite (1) dem reflektierten Strahl (41) überlagert wird und mit diesem interferiert.

2. Elektro-optischer interferometrischer Lichtmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (10) zwei zu den Stirnseiten (1, 2, 3) senkrechte Deckseiten (11, 12) hat, auf den Deckseiten (11, 12) Elektroden (111, 121) angebracht sind, die an eine steuerbare Spannungsquelle U angeschlossen sind, und der Kristall (10) Pockels-Effekt zeigt.

3. Elektro-optischer interferometrischer Lichtmodulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ein­ fallende Lichtstrahl (4) linear polarisiert ist.

4. Elektro-optischer interferometrischer Lichtmodulator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stirnseite (1) des Kristalls (10) mit einer dielektrischen Strahl­ teilerschicht belegt ist.

5. Elektro-optischer interferometrischer Lichtmodulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflexions­ koeffizient der Strahlteilerschicht so gewählt ist, daß der reflektierte Strahl (41) etwa die gleiche Amplitude hat wie der gebrochene und durch den Kristall verlaufende und wieder austretende Strahl (43).

6. Elektro-optischer interferometrischer Lichtmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden überlagerten und zur Interferenz kommenden Strahlen (41, 43) je mehr als 30 Prozent der Amplitude des einfallenden Lichtstrahls (4) haben.

7. Elektro-optischer interferometrischer Lichtmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kristall (10) zusätzliche Stirnseiten (5) hat, an denen der gebrochene Strahl (42) im Kristall (10) reflektiert wird, und so der Lichtweg im elektro- optischen Kristall (10) bezogen auf sein Volumen erhöht wird.

8. Elektro-optischer interferometrischer Lichtmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Reflexion an den Stirnseiten (1, 2, 3, 5) als Totalreflexion stattfindet.

9. Elektro-optischer interferometrischer Lichtmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Einsparung von Kristallvolumen zusätz­ lich weitere Stirnflächen (61, 62, 63) außerhalb des Strahlengangs angeordnet sind.