DE2113373C3 - Modulator für kohärente elektromagnetische Strahlung des optischen Wellenlängenbereichs - Google Patents
Modulator für kohärente elektromagnetische Strahlung des optischen WellenlängenbereichsInfo
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Description
mensetzung Sr.,Nb,O7 besteht. besteht. einkristalle der un«e-
2. Modulator nach Anspruch 1, dadurch ge- 15 Es wurde gefunden, daß Emknstalle der un.e
kennzeichnet, daß der Strahl längs der kristallo- fähren Nominal-Zusammensetzung »««W e ...n
. graphischen fc-Achse in den Kristallkörper ein- größeren elektrooptischen Effek^e!fen "f* Li,«"V
ieleitet wird und daß das elektrische Feld längs Kristalle. Wie LiTaO3 weist Sr3NbA,kerne!Dulder kf-ritallographischen c-Achse angelegt ist. Strahlungsschäden auf, auch wenn es uDcr ai.ge
3. Modulator nach Anspruch 2, dadurch ge- a° Zeiträume von elektromagnetischen Wellen dur hkennzeichnet,
daß der Kristallkörper von recht- strahlt wird, hat es die ausgezeichne ^ Physikal -he
kantiger Gestalt ist, deren Hauptrichtung in der und chemische Beständigkeit und kana mittels u U-
Richtung der kristallographischen 6-Achse ver- eher Verfahren, wie nach d« ^*™1*™?™
läuft und nach dem Schwebezonen-Verfahren leicht in gio-
a5 ßen, gleichmäßig beschaffenen Einknstallen guier
Qualität gezüchtet werden.
Erfindgungsgemäße elektro-optische Modulatoren,
bei denen Sr2Nb2O7-EinkristaIle benutzt sind, können
Die vo-1iegende Erfindung betrifft einen Modu- sowohl kontinuierlich als auch impulsweise arbenen
lator für kohärente, elektromagnetische Strahlung des 30 und zur Änderung der Intensität der hrequenz ο ,er
optischen Wellenlär.genbe-ichs mit einem elektro- der Phase über große Bandbreiten benutzt werden,
optischen Knallkörper, einer Einrichtung zum Ein- Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt dann,
leiten des Strahles in diese., Körper und einer Ein- daß der Modulator mit hohem Wirkungsgrad cei
richtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes quer verhältnismäßig niedriger Modu ationsspannung ardurch
diesen Körper hindurch in einer für die Modu- 35 beitet, so daß die Modulatorschaltung transistorisiert
lation des Strahles geeigneten Richtung. werden kann und der ganze Modulator mit kleinsten
Die Wirkung der elektro-optischen Modulatoren Abmessungen ausgeführt werden Kann,
beruht auf der Verwendung eines Einkristall-Mate- In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand
rials, dessen Durchlässigkeitseigenschaften für hin- erläutert. . .
durchzuleitende elektromagnetische Welle« durch 40 Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines beiAnwendung
elektrischer Felder geändert werden. spielsweisen Zuschnittes eines Sr2N^U7-fcinKristaiis
Solche Modulatoren können kontinuierlich oder für elektro-optische Zwecke mit Darstellung der
impulsweise arbeiten und Änderungen der Intensität, Kristallachsen und ,
der Frequenz oder der Phase bewirken. Fig. 2 eine schematische Ansicht eines m?nd,u7-
Wie alleemein bekannt, wird als typisches Material 45 Modulators gemäß einer bevorzugten Austunrungs-Kaliumdihydrogenphosphat
(KDP) in elektro-opti- form der Erfindung.
sehen Modulatoren benutzt. Der entsprechende Bevorzugte Ausgangsmateriahen zur Herstellung
Kristall ist jedoch für den praktischen Gebrauch . von Sr.NbA-Einkristallen sind Strontium-Karbonat
wegen seiner hygroskopischen Eigenschaften und und Nioboxid. Es können jedoch auch andere Mateseiner
Sprödigkeit, die zu Schwierigkeiten beim 50 rialien benutzt werden, die sich wahrend der Behand-Schneiden
und Polieren führt, wenig geeignet. lung in Strontium- oder Nioboxid zersetzen, uie
Neuerdings wurde gefunden, daß Lithium-Niobat- Ausgangsmaterialien werden entsprechend einem
Einkristalle (LiNbO.) ein physikalisch und chemisch Molekularverhältnis von Strontiumoxid (5rU) zu
beständige;, Material für Lichtmodulatoren darstellen. Nioboxid (Nb2O5) von 2 : 1 im Endprodukt gewogen.
Diese Kristalle können nach der Czochralski-Methode 55 gemischt und bei einer Temperatur von z.B. 123UC
in der für die Modulatoren notwendigen Größe leicht gesintert, so daß sich durch Reaktion im testen z,ugezüehtet und ohne Schwierigkeiten geschnitten und stände vielkristallines Sr2Nb207-Materia; erB'bt poliert
werden. Der elektro-optische Effekt ist bei Es wurde gefunden, daß der Schmelzpunkt von
diesen Kristallen größer als bei KDP-Kristallen. Sr2Nb0O7 bei ungefähr 170O0C liegt. Bei der Knstall-Diese
Kristalle haben jedoch einen verhängnisvollen 60 Züchtung nach der Czochralski-Methode wird das
Nachteil in Gestalt des sogenannten Strahlungs- gesinterte Materal in einen Indium-Tiegel gefüllt,
Schadens, der darin besteht, daß das Durchstrahlen geschmolzen und mit einer Geschwindigkeit von
mit elektromagnetischen Wellen den Brechungsindex z. B. 6 mm pro Stunde herausgezogen. Bei Anwenin
dem durchstrahlten Bereich verändert. dung des Schwebezonen-Verfahrens wird aus dem
Später fand man, daß Lithium-Tantalat (LiTaO3) 65 gesinterten Material zuerst eine keramische Stange
ein für dieselben Zwecke geeignetes Material ist, das geformt. Das Folgende ist ein Beispiel fur die weitere
keine merklichen Strahlungsschäden zeigt und die Herstellung nach diesem Verfahren. Die keramische
ausgezeichnete physikalische und chemische Bestän- Stange und ein Kristallkeim werden in einen Spiegel-
ofen gebracht, wie er z. B, in IEEE Transactions on 6. Die relativen dielektrischen Koastonlenfp Λ r .
Magnetics, Vol. Mag. 5, No. 3, September 1969, und lf T ergaben >f>f™S™J\l Der Wen
S. 286, Fig. 1 beschrieben ist, mit 30 Umdrehungen Raumtemperatur zu 75 bzw. 4b dzw. hj. l γ
je Minute in entgegengesetzten Richtungen gegen- von tj ist also kleinι genug, wit u ι ν
einander gedreht und in der Luft mit einer Zonen- 5 LiNbO1 (28) und LiIaU11 14 /J. .... n
geschwindigkeit von 10 mm je Stunde abwärts be- 7. Der Einkristall .st stark piezoelektrisch. U.r
wegt. Der durchsichtige Kristall, den man erhält, hat elektroraechanische Kupplungskoefhziu«£«■»«"fai
ungefähr 5 mm Durchmesser und 40 mm Länge und 26 ·/„, ist also großer als der e.nes Li I aUj-fcinKn.tui,*
hat eine Dichte von 5,1 g je cma. (211Vo). ι η ι cr Nh η Fin
Der Einkristall kann sogar auch dann hergestellt io Aus 3. bis 6. ergibt sich, dau üer sr.iNo υ -l -
werden, wenn das Molekularverhältnis von SrO zu kristall das beste bisher fur elek r^P\u-h| ^"-.
Nb8O5 von der stöchiometrischen Zusammensetzung latoren vorgeschlagene Material aarsieiii. acme uu .
(2:" lf innerhalb eines Bereiches von 1.7:1 bis 2,4 : 1 l/(e · [E ■ I]M) bet .-Jf d« J.7facne von κ
abweicht. das i,4fache von L.NbO:1 und das _,5fache %o.i
1. Die Sr,Nb„O7-Einkristalle gehören dem rhom- 15 LiTaO1. . c„,_ ;<<
.-,.o bischen Kristallsystem, und zwar der C,v-Gruppe Über Sr2Nb2O, in keramischer Form ist on
an. Sie sind optisch zweiachsig und ihre" optische Smolenskii und anderen bereits in soviet ™>m«.;-Ebene
liegt parallel zu der c-Ebene. Der Kristall hat Doklady, 1 (1956), S. 300 ,berichtet worden Dan h
eine natürliche Spaltfläche parallel zu der fa-Ebene, wurden aber nur die dielektrische Konstante 1und ^
während die Halbierende des optischen Winkels " gemessen, während erst der Frfindung die trkenntn,
senkrecht auf der 6-Ebene steht. Die Gitterkonstan- zugrunde liegt, daß sich Srs^bs°^in r i^hVmn« ','
ten α, b und c erfüllen die Beziehung a<c<b. kristalle besonders auf dem Gebiet der Lichtmodu
2. Der Sr,Nb2O7-Einkristall ist ferroelektrisch und lation mit besonderem Vorteil verwenden lassejv
sein Curie-Punkt liegt nahe bei 135O°C. Die spon- Gemäß dem Beispiel nach Fig. 2 ist cei einci
tane Polarisation findet längs der c-Achse statt und a5 die Erfindung verkörpernden cleWro-optiscnci.
man kann bei Raumtemperatur eine D-E-Hysterese- Modulator ein rechtkantiger Korper 11 aus e.nu.
Schleife beobachten. Die Werte der spontanen PoIa- aus Strontium-Niobat bestehenden E.nbereichs-bin
risation und des Koerzitiv-Feldes betragen 9 μ C/crn* kristall verwendet, dessen Abmessungη 1U1J. mrn>,
bzw 6kV/cm der a-Achsrichtung, 7,2 mm π der fc-Achsr.chtun...
3. Der Einkristall ist chemisch und physikalisch 30 und 0,2 mm in der c-Achsr.chtung betragen- An de,'
stabil und zeigt.keine meßbaren Zerstörungen, wenn beiden Oberflächen des Kristalls Il s™d senk™chi
er irgendeiner ihm normalerweise begegnenden zur c-Achse zwei Elektroden 12_und 13 angebrach'.
Atmosphäre ausgesetzt wird. über welche ein elektrisches Modulationsfeld vo .
4. Der S^Nb.O^Einkristall weist einen linearen der Spannungsquellc 14 her angelegt wird Der K1.
eiektro-optisclieii I&ekt auf. Der Effekt ist am groß- 35 stall 11 ist zwischen zwe. gekreuzten P°Jnsal0^" \
ten, wenn die Spannung längs der c-Achse angelegt und 17 angeordnet, deren Polansati^°ns"chtunfLn/,u
wird und sich d«£ Licht längs der 6-Achse fortpflanzt. der c-Achse des Kristalis 11 unter +451 unc -^45 g.-In
die .em Fall beträgt das Halbwellen-Feldabstand- neigt sind. Ein von einem "^e-I^ herkomm.n-Produkt
ungefähr 180OVoIt bei 6328Angström. der Lichtstrahl 18 wird durch den Polar, ator 15
Zu Fig. 1: das Halbwellen-Feldabstand-Produkt 40 polarisiert und auf den Knstall I Sebund^ -ngs
(E · DX/2 wurde unter Bedingungen gemessen, wobei der 6-Achse durch den Kristall ^ndu^ert J und
ein He-Ne-Laserstrahl einer Wellenlänge von durch das längs der c-Achse angelegte elektr ehe
6328 Angström sich durch einen Einkristall 1 aus Feld der Modulation unterworfen j>" mfu!'^
Sr.,Nb„O7 einer Größe von 2,29 mm (α-Achsrichtung) Lichtstrahl 19 w.rd durch den Analysator 17 nach
x'0,96mm (^-Achsrichtung) X 3,21mm (c-Achs- 45 außen geleitet 1 κ-iräot Hin H-ilh
richtung) fortpflanzte. Man erhielt folgende Werte: Bei dem Modulator nach F. g. 2 betragt^d. Ha b-
1800 Volt, wenn das elektrische DC-FeId längs der Wellenspannung, also d.ejen.ge Spannung die fur
c-Achse angelegt wurde und sich der Laserstrahl eine lOO"/oige Modulation notwendig ist. nur 5C \oh
längs der ft-Achse fortpflanzte, 430OVoIt bei elek- und die Kapazität des KristaIs 11 be ragt nu
trischsm Feld längs der c-Achse und Laser-Strahl 5o 2,7 Pikofarad Die Spannungsquelle14 brauch daher
längs der «-Achsef 5000 Volt bei elektrischem Fe'd nur eine übliche Transistorschaltung aufzu»c sen.
längs der α-Achse und Laser-Licht längs der Es können die Richtungen des Lichtstrahles und
fc-Achse, 32000 Volt bei elektrischerp Feld längs der des elegischen Feldes d.e als längsidc -Ac hs,
a-Achse und Licht längs der c-Achse, 135 00OVoIt bzw. der c-Achse beschrieben v/urden, -^ der
bei elektrischem Feld längs der ί,-Achse und Licht 55 anderen Achsen hegen. Wa^end fas Ausfuhrungs-
längs der α-Achse und 750 000 Volt bei elektrischem be.sp.el Jntensiiatsmodulation «igt^sind auch Frc
Feld längs der fr-Achse und Licht längs der c-Achse. quenz- oder Phasenmodulation .™^«h· ^Lahrc"d
Der bSte Wert, 1800 Volt, ist also kleiner als der für das Aiufuhrungsbeupiel auf die Nomma Wu, m-
bei KDP (4000VoIt), LiNbO3 (2600 Volt) oder mensetzung Sr2NbO^^Bezug genommen wurde. ^rd
LiTaO i2700Volt) 6" der elektro-optische EfTekt, wi? oben erwähnt, über
5^ De Einkrislali zeigt keine Strahlungsschäden. einen Zusammensetzungsbereich beobachtet, ,nner-
Nachdem de^ Kristall zwei Stunden lang mit einem halb dessen sich das Molekularveihaltn, v^n S-o
He-Ne-Laserstrahl von 6328 Angström, einer Lei- zu Nb2O5 von 1,7 : I bis 2,4 . 1 ändert KIc^nc M.n
stung von 6 Milliwatt und einem Strahldurchmesser gen von Zusätzen können /ugelassen «e Jen ΛIl
von 70 Mikron bestrahlt worden war, war kein Strah- 65 derartigen Abwandlungen sollen in den Wongehrjuch
lungsschaden erteonbar. »nominale Zusammensetzung« eingeschlossen scm.
Claims (1)
- und die elektro-optische Wirksamkeit des1 ^SÄmit einem elektro-optischen Kristallkörper, einer unbefriedigend. Anfeabe zuerunde 'Einrichtung zum Einleiten des Strahles in diesen Der Erfindung hegt deshalb d,Aufgab' ™B™ue,Körper und einer Einrichtung zum Anlegen eines einen elektrooptischen Modulator anzugebe η derelektrischen Feldes quer durch diesen Körper physikalisch und chemisch ^JJdIg Bt und em en - hindurch in einer für die Modulation des Strahles 10 besonders großen ^"^P^J? ^^geeigneten Richtung, dadurch gekenn- Diese Aufgabe: wirdgemäß der Erfindung dadurchζ e i c h η e t, daß der Kristallkörper aus einem gelöst, daß der Knallkörper «u* e'«" J·"^^Einbereichs-Einkristall der nominalen Zusam- Einkristall der nominalen Zusammensetzung bräNb,O7
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