DE1589075B1

DE1589075B1 - Nichtreziproker elektrooptischer Lichtmodulator

Info

Publication number: DE1589075B1
Application number: DE19661589075
Authority: DE
Inventors: Wentz John L
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1965-11-04
Filing date: 1966-11-04
Publication date: 1970-01-29
Also published as: US3429637A; BE689101A; GB1121037A

Description

befindet sich ein Mikrowellenübergangsstück, das die Polarisationsebene des Mikrowellenfeldes um 90 dreht. Die Kristalle sind in der aus F i g. 1 ersichtlichen Weise orientiert, wobei die Achsen .x, y und ζ die-5 jenigen des Indexellipsoids sind. Die x-Achse des einen Kristalls und die y-Achse des anderen Kristalls verlaufen parallel zur Lichtfortpflanzung. Die Kristalle sind so orientiert, daß die elektrischen Vektoren der Mikrowellenfelder senkrecht zur Lichtfortpflanzung

Die Erfindung betrifft einen elektrooptischen Lichtmodulator mit einem zwischen einem Polarisator
und einem dazu gekreuzten Analysator liegenden
Wellenleiter, in dem mindestens ein doppelbrechender
Kristall vom KD P-Tyρ angeordnet ist, dessen Längsachse mit der Wellenleiterachse und der Fortpflanzungsrichtung des Lichtes zusammenfällt und dessen
optische Achse parallel zu dem elektrischen Feldvektor
einer sich in dem Wellenleiter mit gleicher Phasengeschwindigkeit wie das Licht fortpflanzenden Mikro- i₀ und parallel zu der jeweiligen z-Achse (optischen welle verläuft. Achse) der Kristalle verlaufen. Die verwendeten In der deutschen Patentschrift 1 277 442 ist ein Kristalle haben doppelbrechende Eigenschaft, wobei elektrooptischer Lichtmodulator vorgeschlagen wor- ihr Brechungsindex in Richtung der --Achse unden, mit dem die Resonanzschärfe eines Lasers be- abhängig von der elektrischen Feldstärke ist, während 'einflußt werden kann. Die Anordnung kann aber i₅ in den beiden anderen Achsenrichtungen Doppelauch sonst als Lichtverschluß oder Modulator dienen. brechung unter der Einwirkung elektrischer Felder Diese Anordnung ist reziprok, weil ein elektrisches auftritt.

Gleichfeld zur Beeinflussung der optischen Achse Die hier verwendeten Kristalle sind optisch einder Kristalle verwendet wird. Es ist ferner ein Licht- achsig, d. h., die Lichtfortpflanzung längs einer bemodulator bekannt, bei dem ein doppelbrechender 20 stimmten Achse, der optischen Achse (r-Achse). Kristall vom KDP-Typ einem Wellenleiter so an- ist unabhängig von der Polarisationsrichtung des geordnet ist, daß der elektrische Vektor des Mikro- einfallenden Lichtstrahls. Der elektrooptische Effekt wellenfeldes, die optische Achse des Kristalls, die in Kristallen kommt durch eine induzierte Doppel-Ausbreitungsrichtung der Mikrowelle und die des brechung zustande, die bei Einwirkung eines elek-Lichtes parallel zueinander verlaufen und bei der die 25 taschen Feldes längs einer bestimmten Kristallachse Phasengeschwindigkeit der Mikrowelle der Ausbrei- zustande kommt. Die Doppelbrechung beruht betungsgeschwindigkeit des Lichtes angeglichen ist. kanntlich auf der Anisotropie der Brechungsindizes. Dieser bekannte Modulator wird mit einer stehenden Doppelbrechende Kristalle werden am besten durch Mikrowelle im TM-Modus betrieben. das Fresnelsche Ellipsoid beschrieben, dessen Haupt-Bekannte nichtreziproke Lichtsteuervorrichtungen 30 achsen proportional zu den Hauptbrechungsindizes beruhen auf dem magnetooptischen Faradayeffekt, des Kristalls sind. In einachsigen Kristallen sind zwei der Phasen- und Polarisationsänderungen hervor- Hauptbrechungsindizes gleich, so daß das Fresnelsche rufen kann. Damit lassen sich optische Umschalter Ellipsoid ein Rotationsellipsoid darstellt. Deshalb und Ausschalter bauen. Diese Vorrichtungen haben tritt für einen senkrecht zur Ebene der beiden gleichen aber den Nachteil, daß die Erzeugung magnetischer 35 Brechungsindizes verlaufenden Lichtstrahl keine Dop-Felder umfangreiche Hilfsvorrichtungen benötigt. pelbrechung auf. Diese Fortpflanzungsrichtung be-Der Lichtmodulator nach der Erfindung zeigt stimmt die optische Achse des Kristalls. Kristalle ebenfalls nichtreziprokes Verhalten, doch sind bei mit drei verschiedenen Hauptbrechungsindizes sind ihm die Nachteile der bekannten nichtreziproken zweiachsig, haben also zwei optische Achsen. Der Lichtsteuervorrichtungen erfindungsgemäß dadurch 40 elektrooptische Effekt in Kristallen beruht nun darauf, vermieden, daß der im TE-Modus betriebene Wellen- daß normalerweise einachsige Kristalle zweiachsig leiter zwei Abschnitte aufweist, die mittels eines die werden, wenn ein elektrisches Feld parallel zur Polarisationsebene der fortschreitenden Mikrowelle optischen Achse angelegt wird. Die vorher gleichen um 90" um die gemeinsame Achse drehenden über- Brechungsindizes in Richtung der .v-Achse und der gangsstücks-verbunden sind, und daß sich in den 45 y-Achse werden also verschieden, wenn ein elektrisches beiden Wellenleiterabschnitten gleichachsig angeord- Feld in Richtung der r-Achse auftritt. Dadurch kann nete Kristalle befinden, doren Länge jeweils gleich die Polarisation des durch den Kristall gehenden der halben Mikrowellenlänge ist und deren optische Lichtstrahls moduliert oder gesteuert werden. Die Achsen senkrecht zu der gemeinsamen Längsachse Drehung der Polarisationsebene läßt sich mittels und senkrecht zueinander verlaufen. 50 eines optischen Analysators in Intensitätsschwan-Die Erfindung wird nachstehend an Hand der kungen umsetzen. Durch Wahl geeigneter Abmes

sungen und Feldstärken kann beim Durchgang linearpolarisierten Lichtes eine Phasendrehung um 90 längs der x-Achse und der y-Achse erreicht werden. Der erwähnte ältere Vorschlag betrifft eine Anordnung, bei der eine Gleichspannung senkrecht zur optischen Achse mittels Elektroden an den betreffenden Kristall angelegt wird. Die beiden Kristalle sind unter Freilassung eines Zwischenraumes

Zeichnung erläutert. Hierin ist

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrooptischen Lichtsteuervorrichtung, 55

F i g. 2 die schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und

F i g. 3 eine graphische Darstellung des relativen Verlaufs des elektrischen Vektors der Mikrowelle,

des elektrischen Vektors der Lichtquelle und der f>o so hintereinander angeordnet, daß die elektrischen Orientierung eines Kristalls. Feldlinien in ihnen senkrecht zueinander verlaufen.

Die Erfindung bedient sich einer Pockelszelle zur In der vorliegenden Erfindung ist die Anordnung nichtreziproken Beeinflussung der Lichtfortpflanzung. ähnlich, aber statt Gleichspannungen werden fort-Zwei den elektrooptischen Pockelseffekt zeigende schreitende Mikrowellen verwendet. Hierdurch wird Kristalle sind hintereinander in der Achse eines Hohl- 65 ein nichtreziproker Lichtdurchlaß erzielt, wobei die leiters angeordnet. Als solche Kristalle kommen vor- optische Durchlaßrichtung in gleicher Richtung wie zugeweise primäre Phraphate in Frage, z. B. primäres die Fortpflanzungsrichtung der Mikrowellen ver-Kaüumphosphat. Zwischen den beiden Kristallen läuft.

In F i g. 1 sind nur die wesentlichen Teile der Anordnung dargestellt, wobei die Richtungen der elektrischen Vektoren der Mikrowelle durch die Teile 5 und 6 bezeichnet sind. Die als langgestreckte Stäbe ausgebildeten elektrooptischen Kristalle 10 und 11 sind so angeordnet, daß die v-Achse des Kristalls 10 und die .Y-Achse des Kristalls 11 in Lichtfortpflanzungsrichtung hintereinanderliegen. Die Kristalle haben z. B. quadratischen oder auch rechteckigen Querschnitt. Wesentlich ist nur. daß die Abmessungen in r-Richtung die gleichen sind. Die Längsachse"jedes Stabes soll parallel oder senkrecht zur (IlO)-Ebene des Kristalls und parallel zur .vv-Ebene desselben verlaufen. Der zu steuernde Lichtstrahl kommt von einer durch den Pfeil 12 angedeuteten Lichtquelle und geht zunächst durch ein Polarisationsfilter 14. bevor er in den ersten Kristall 10 eintritt. Am Ausgang der Vorrichtung ist ein Anahsator 15 mit zum Polarisationsfilter 14 gekreuzter Polarisationsebene angeordnet. Der elektrische Vektor 16 des linearpolarisiertcn Lichtstrahls hinter dem Filter 14, der die Polarisationsebene desselben angibt, bildet einen Winkel von 45 mit der .v-Achse und der r-Aehse des Kristalls 10 und ebenso mit der r-Achse und der r-Achse des Kristalls 11. Die beiden in diese Achsen fallenden Komponenten des einfallenden Lichtes werden infolgedessen in folgender Weise aufgespalten. Es seien Λ'_ν. A₁. und .V. die Hauplbrechungsindizes für die Achsen des Indexellipsoids und /- die übereinstimmende Länge beider Kristalle in Fortpflanzungsrichtung, sowie d die Breite der Kristalle in r-Richtung. also bei quadratischem Querschnitt die Seitenlänge desselben. /. sei die Wellenlänge des einfallenden Strahls 12. Beim Eintritt in den ersten Kristall 10 von links wird das polarisierte Licht 16 in zwei zueinander senkrechte Komponenten aufgespalten, von denen die eine parallel zur .v-Achse des Kristalls 10 und die andere parallel zur r-Achse des Kristalls 11 schwingt. Sind die elektrischen Felder in r-Richtung nicht vorhanden, so sind die Brechungsindizes für parallel zur .v-Achse und zur .r-Achse schwingende Komponenten identisch. Deshalb erleidet die eine Komponente im Kristall 10 und die andere Komponente im Kristall 11 die gleiche Verzögerung, und beide Komponenten setzen sich am Ausgang des zweiten Kristalls wieder zu einem linear polarisierten Lichtstrahl zusammen, dessen Polarisationsebene 18 in gleicher Richtung wie die Polarisationsebene 16 des einfallenden Lichtstrahls verläuft. Wirkt dagegen ein elektrisches Feld in r-Richtung der beiden Kristalle, so sind die Brechungsindizes in .Y-Richtung und in y-Richtung nicht mehr identisch, weil das angelegte elektrische Feld innere Spannungen der Kristallstruktur erzeugt. Die zueinander senkrechten Komponenten des einfallenden linear polarisierten Lichtes erfahren deshalb eine Phasenverschiebung gegeneinander und setzen sich nach dem Austritt aus dem zweiten Kristall zu einem elliptisch polarisierten Lichtstrahl zusammen, wobei die Exzentrizität der Polarisationsellipse von der induzierten Phasenverschiebung abhängt. Bei einer bestimmten Feldstärke und einer bestimmten Kristallänge kann erreicht werden, daß die austretenden Komponenten einen Phasenunterschied von gerade 180 haben. Sie setzen sich dann zu einem linear polarisierten Lichtstrahl zusammen, dessen Polarisationsebene um 90 gegen die Einfallsebene gedreht ist.
Im einzelnen erfuhrt beim Durchgang durch den

Kristall 10 längs der r-Achse desselben die v-Komponente der Polarisation eine Phasenänderung vor

Φ_χ = . .V_v radiant, (1)

und die zur r-Achse parallele Komponente erfährt eine Phasenänderung um

2.7 L „ /V

/V. radiant.

Die Phasenänderung im Luftspalt zwischen den beiden Kristallen 10 und 11 ist für beide Komponenten gleich und wird durch eine Konstante u ausgedrückt. Beim Durchgang durch den Kristall 11 längs der .v-Achse desselben erfährt die y-Komponente der Polarisation eine Phasenänderung um

¹^L
'/>,. = "'. ■ N_x radiant,

während die Phasenänderung der zur r-Achse parallelen Komponente die gleiche wie für die r-Achse des Kristalls 10 ist. nämlich

2.-7 L .. Φ. = - . — /V- radiant.

Somit ergibt sich die gesamte Phasenänderung für die x-Komponente und die y-Komponente nach Durchgang durch beide Kristalle zu

I₇/

und

Die Phasendifferenz zwischen den beiden Komponenten ist

I (-> = fi_y - e_x

= ?~- [(/V, + N_:) - (N_x + /V.)] . (7)
Nach Ausrechnung ergibt sich

(N_x-N_x).

Wird kein elektrisches Feld längs der r-Achsen der beiden Kristalle angelegt, so sind die Brechungsindizes Ny und N_x gleich, also N_y -N_x = N_n. Die Phasendifferenz zwischen den austretenden, zueinander senkrecht polarisierten Komponenten des Lichtstrahls verschwindet dann, d. h.

I (■) = 0 .

Die ursprüngliche Polarisationsebene des einfallenden Lichtstrahls wird also tatsächlich in diesem Falle beibehalten, und der resultierende Polarisationsvektor 18 des austretenden Lichtstrahls hat die gleiche Richtung wie der Polarisationsvektor 16 des eintretenden Lichtstrahls.

Wird ein elektrisches Feld in Richtung der r-Achse der beiden Kristalle angelegt, also eine elektrische Spannung /wischen den beiden horizontalen Seitenflüchen des Kristalls 10 in Richtung des Pfeiles 5 erzeugt und gleichzeitig eine Spannung gleicher Größe an den vertikalen Seilenflächen des Kristalls 11 in Richtung des Pfeiles 6 erzeugt, so ist der Brechungsindex .V₁. des Kristalls 10 nicht mehr identisch mit dem Brechungsindex .V _x des Kristalls 11. Der Brechungsindex Λ', längs der optischen Achse beider Kristalle bleibt dagegen umcründcrt. Der eine der beiden genannten Brechungsindizes nimmt zu. während der andere um den gleichen Betrag abnimmt. Somit kann geschrieben werden

.V₁ - .V_n i ΙΑ'. X_x ■-- X₀ '■ I.V.

HO) (11)

hierbei ist IN die Änderung des Brechungsindex durch Finwirkung des elektrischen Feldes. Wird mit r„, eine elektrooptisch Konstante und mit Γ. die am Kristall liegende Spannung in ^-Richtung bezeichnet, so gilt nach einer bekannten Formel

(12)

Setzt man diese Ausdrücke in Gleichung (S) ein. so ergibt sich

13)

F.s zeigt sich somit, daß die Phaseinerschiebung zwischen den beiden senkrecht zueinander polarisierten Komponenten des Lichtstrahls unmittelbar +■ proportional zur Vorspannung I. und der Krislalllänge /. sowie umgekehrt proportional zur Seilenlänge </ ist. Durch geeignete Wahl dieser Parameter ist es möglich, am Ausgang wieder einen linear polarisierten Lichtstrahl zu erhalten, dessen Polarisationsebene um ¹H) cedrehl ist. d. h.

(Ui

Der entsprechende Vektor ist in F" i g. 1 als der gestrichelte Pfeil 48 eingezeichnet.

Die erforderliche Spannung zur Drehung der Polarisationsebene um ¹M) kann aus den Gleichungen (13) und (Ul bestimmt werden. Man findet

(15)

Der Faktor

ist die sogenannte Halb-

t>3 »

wellenspannung. d. h. die Spannung, die erforderlich ist. um eine Phaseinerschiebung von W zwischen den austretenden Komponenten eines Lichtstrahles zu erzeugen, wenn em linear polarisierter Licht- <>5 strahl in ^-Richtung auf den Kristall auffällt, während gleichzeitig ein elektrisches Feld parallel zur r-Achse angelegt wird. F.s ergibt sich also, daß eine Verringerung der Halbwellenspannung um den Faktor ". auftritt, wenn zwei Kristalle mit gekreuzten optischen Achsen nacheinander von einem senkrecht zu den optischen Achsen einfallenden Lichtstrahl durchlaufen werden. So wird es möglich, die Betriebsspannung in einem Bereich zu halten, der leicht durch Mikrowellenenergie aufgebracht werden kann, und dies macht es wieder möglich, erfindungsgemäß eine nichtreziproke Lichtsteueranordnung zu schaffen, bei der die elektrischen Feld\ekloren einer fortschreitenden Mikrowelle die Vorspannungen liefern. Die Anordnung läßt dann nur Licht in der Fortpflanzungsrichlung der Mikrowellen durch, wenn die Lichtgeschwindigkeit und die Mikrowellengeschwindigkeit im elektrooptischen Medium gleich sind und wenn die elektrooptischen Krislalle je eine halbe Wellenlänge der Mikrowelle lang sind.

Zu diesem Zweck ist gemäß F i g. 2 eine Mikrowellenanordnung \orgesehen. welche die Ii-Vektoren 5 und 6 für die Krislalle 10 und Il liefern kann. Sie besteht aus zw ei rechteckigen Hohlleiterabschnitten 20 und 21. die zur Fortpflanzung der TF₁₁₁-WeIIe eingerichtet sind und durch einen t'bergangsabschnitt 22 /iir Drehung der Polarisationsebene um W) getrennt sind. Der elektrische Vektor der fortschreitenden Mikrowelle isl senkrecht zu den Breitseiten der Hohlleiterabschnitte. Der Kristall 10 ist im Abschnitt 20 und der Kristall 11 im Abschnitt 21 derart befestigt, daß die den Vektoren 5 und 6 entsprechenden Felder Vorspannungen an den Kristallen in den angegebenen Richtungen erzeugen. Selhsl\erstündlich isl der fbergangsabschnilt 22 so ausgebildet, daß er eine Durchblicköffnung in seiner Mitte hat. deren Querschnitt mindestens so groß wie derjenige der beiden Kristalle 10 und 11 ist. die axial fluchten, so daß optische Lnergie in Längsrichtung der Mikrowellenanordnung übertragen werden kann.

Impedanzanpassungsglieder können gegebenenfalls an den linden der Mikrowellenanordnung angeordnet sein.

Fin Mikrowellenerzeuger 24 kann über einen Mikrowellenumschalter 26 bekannter Art wahlweise mit den beiden Finden der Mikrowellenanordnung \erbunden werden, um die Fortpllanzungsrichlung der Mikrowellenenergie durch den Hohlleiter zu wechseln und so die Richtung umzuschreiben, in welcher die Lichtenergie die Anordnung durchsetzen kann.

Die Mikrowellenanordnung ist so ausgebildet, daß sie eine Phasengeschwindigkeit in den elektrooptischen Kristallen ergibt, die gleich der Lichtgeschwindigkeit in Fortpflanzungsrichtung in den Kristallen ist. Die Länge der Kristalle ist eine halbe Wellenlänge der Mikrowelle.

Im Betrieb ergibt sich eine resultierende Verlangsamung der Lichlwelle zwischen den zueinander senkrechten Komponenten des einfallenden polarisierten Lichtes für Licht, das in gleicher Richtung wie die Mikrowelle die Anordnung durchläuft, z. B. von links nach rechts in F i g. 2. Dies rührt davon her. daß das Mikrowellenfeld und das Lichtwellenfeld in dem elektrooptischen Medium mit gleicher Geschwindigkeit fortschreiten und daß der elektrische Feld\ektor E des Lichtstrahls einer bestimmten Phase stets die gleiche Mikrowellenfeldstärke in den Kristallen 10 und 11 vorfindet. Das Ausmaß der resultierenden Verzögerung zwischen den beiden Komponenten hängt von der Mikrowellenfeldstärke ab und

bestimmt den Durchlaßgrad durch die Anordnung. Die durchgelassene Lichtintensität ist mathematisch durch folgenden Ausdruck iieueben:

/ = /„sin- KE_n,.

(16)

wobei /„ die Intensität der einfallenden Lichtvvelle, K eine Konstante des elektrooptischen Materials und /:',„ der Seheitelwert der elektrischen Feldstärke in der Mikrowelle ist. Für einen bestimmten Wert von E₁₁₁ kann somit theoretisch ein optisches Durchlaßvermögen von I()()"„ erreicht werden.

' Wenn nun der Lichtstrahl von der entgegengesetzten Seile. /. B. von rechts in die Anordnung einfällt und sich entgegen der Fortpflanzungsrichtung der Mikrouelle fortpflanzt, so erfahren die zueinander senkrechten Komponenten des einfallenden linear polarisierten Lichtes keine gegenseitige Verzogerimg, weil sie je um eine volle Wellenlänge des Mikrowellenfeldes fortschreiten, denn jeder Kristall ist eine halbe Wellenlänge lang. Dies ist in F i g. 3 erläutert. Da sich keine gegenseitige Verzögerung der beiden Komponenten ergibt, bleibt beim Verlassen der elektrooptischen Kristalle die ursprüngliche Polarisation des Lichtstrahls erhalten. Deshalb findet in dieser Fortpffanzungsriehtung kein Lichtdurchlaß statt, weil der Analysator mit dem Polarisator gekreuzt ist. Somit ergibt sich bei Frfüllung der genannten Bedingungen tatsächlich ein nichtreziproker Lichldurchlaß.

Claims

Patentansprüche:

1. F.lektrooptiseher Lichtmodulator mit einem /wischen einem Polarisator und einem dazu gekreuzten Analysator liegenden Wellenleiter, in dem mindestens ein doppelbrcchendcr Kristall vom KDP-Typ angeordnet ist. dessen Längsachse mit der Wellenleiterachse und der Fortpllanzungsrichtung des Lichtes zusammenfallt und dessen optische Achse parallel zu dem elektrischen Feldvektor einer sich in dem Wellenleiter mit gleicher Phasengeschwindigkcit Vie das Licht fortpflanzenden Mikrowelle verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß der im TE-Modus betriebene Wellenleiter zwei Abschnitte (20. 21) aufweist, die mittels eines die Polarisationsebene der fortschreitenden Mikrowelle um 90 um die gemeinsame Achse drehenden Übergangsstücks (22) verbunden sind, und daß sich in den beiden Wellenleiterabsehnitten gleichachsig angeordnete Kristalle (10, H) befinden, deren Länge jeweils gleich der halben Mikrovvellcnlänge ist und deren optische Achsen senkrecht zu der gemeinsamen Längsachse und senkrecht zueinander verlaufen. 2. Lichtmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einfallende Licht unter 45 gegen die optische Achse der Kristalle linear polarisiert ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 909 585/155

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