DE1639022B2

DE1639022B2 - Lichtmodulator

Info

Publication number: DE1639022B2
Application number: DE19671639022
Authority: DE
Inventors: Roy Conway Madison N.J. Le Craw (V.StA.). HOIg 1-02
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1966-04-18
Filing date: 1967-04-17
Publication date: 1972-05-18
Also published as: BE696068A; DE1639022A1; US3495189A; NL6703223A; GB1179622A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen magnetooptischen Lichtmodulator mit einem cinkrisiallinen. eisenhaltigen, ferrimagnetischen Granatkörper, der einem Magnetfeld mit orthogonal zur Strahlungslaufrichtung orientierter Komponente und von einer zumindest für die Sättigung des Granatkörpers ausreichenden Größe ausgesetzt ist (USA.-Patentschrift 974 568). "

Das Aufkommen des Laser vor knapp 10 Jahren, der ersten kohärenten Lichtquelle, legte eine Reihe vielversprechender Anwendungsmöglichkeiten nahe. Viel derselben sind bisher in die Tat umgesetzt worden, und einige dienen bereits kommerziellen Zwekken. Hierher gehören im Mikromaßstab ablaufende -Fabrikationsmcthodcn. neue chirurgische Methoden Und Raman-Spektroskopie. Einer der wichtigsten Anwendungsfällc, nämlich die Verwendung der Laser In der Nachrichtentechnik, steckt jedoch noch in den Kinderschuhen.

Wegen der viel höherfrequenten Natur eines Laserstrahls ist derselbe ein Träger für viel größere Bandbreiten. Es wurde schon früh erkannt, das mit der so erhaltenen neuen Bandbreite ohne weiteres der gesamte Nachrichtenverkehr, einschließlich der Sprach- und Video-Übertragung, beispielsweise der Vereinigten Staaten von Amerika bewältigt werden kann. Hieraus ergibt sich aber unmittelbar die Forderung nach geeigneten Modulations- und Demodulationsmethoden. Die in dieser Richtung gemachten Anstrengungen haben rapid zugenommen. Andere Anwendungsmöglichkeiten für optische Modulatoren sind gleichfalls von Interesse, Als Beispiel hierfür sei die Verwendung in optischen Verzögerungsleitungen genannt, z. B. bei den in Applied Optics, Bd. 4, H. 8, S, 883 (August, 1965) beschriebenen gefalteten Leitungen.

Gegenwärtig gibt es zahlreiche Modulationsanordnungen, die bereits demonstriert worden sind und von denen die wichtigeren auf elektrooptischen oder magnetooptischen Wechselwirkungen beruhen.

Lange Zeit schien es, daß der vielversprechende Modulator eine elektrooptische Wechselwirkung wahrscheinlich in einem ferroelektrischen Kristall, der in einem paraelektrischen Bereich arbeitet, verwenden würde. Ein früheres, für diesen Zweck vorgeschlagenes Material war KDP (Kaliummonophosphat). KDP wurde jedoch in gewisser Hinsicht von anderen Materialien verdrängt, die einen höheren Modulationsgrad bei kleineren Spannungen als die für KDP erforderlichen mehreren Tausend Volt ermöglichen. Eines der interessantesten dieser neueren Materialien ist KTN (eine feste Lösung von Kaliumtantalat und Kaliumniobat), das eine quadratische Abhängigkeit der Polarisation von der angelegten Spannung rdgt und deshalb eine Aus-Vorspannung zuläßt, um dadurch eine Modulation mit vergleichsweise kleinen zusätzlichen Modulationsspannungen zu erlauben. KTN ist immer noch ein sehr vielversprechendes Modulationsmaterial, seine kommerzielle Herstellung scheitert aber wegen des Unvermögens, akzeptable Kristalle reproduzierbar züchten zu können.

Magnetooptische Modulatoren haben bisher noch nicht sonderliches Interesse gefunden. Es wurde erkannt, daß eine auf dieser Wechselwirkung beruhende wirksame Modulation ein magnetisch sättigbares Material, entweder ein rerromagnetikum oder ein Ferrimagnetikum, erfordert. Die Anzahl der verfügbaren Materialien dieser Art, die ausreichende Transparenz für ein Hindurchschicken des zu modulierenden Lichts, ist beschränkt. Zu den ernsthaft in Erwägung gezogenen Materialien gehört Chromtribromid, das ausreichend unterhalb seines Curie-Punkts von etwa 25 K betrieben werden muß. Dieses Material ist zwar erfolgversprechend, seine Entwicklung ist aber durch die schlechten physikalischen Eigenschaften gehemmt. So kann dieses Material nur äußerst schwierig vernünftig geschliffen und poliert werden. Andere magnetisch sättigbaren Materialien mit der erforderlichen Transparenz sind teils schwierig herzustellen (z. B. Europiumoxyd), teils haben sie ungünstig tiefe Curie-Temperaturen (z. B. 2" K für Gadolinium triclilorid).

Eine der bedeutsameren Entdeckungen auf dem Gebiet der magnetischen Materialien war die des ferrimagnetischen Yttrium-Eisen-Granats (YTG). Seit einigen Jahren ist es evident, daß dieses kristalline Material eine bemerkenswert engere Resonanzlinienbreite als die Ferrite besitzt, und daß es unter anderem aus diesem Grund weit besser für Diskriminationszwecke geeignet ist. Der Umstand, daß dieses kohlenähnliche Material etwas Transparenz am roten Ende des Spektrums zeigt, entging der Aufmerksamkeit nicht, und niederfrequente Lichtmodulatoren, die solches Licht benutzen, wurden Ende 1950 demonstriert.

Auf Orund neuer Untersuchungen des sich ins infrarote erstreckenden Transparenz-»Fensters« in YIO hat dieses Material wieder größeres Interesse

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erfahren (s. Applied Physics Letters, Bd. 7, S, 27, stallkörpers 1 vorgesehen. Der eingezeichnete Pfeil 6 I.Juli 1965). Der Umstand, daß einige Laser-Oszil- soll zumindest eine Komponente dieses zugeführten iatoren Licht einer Wellenlänge erzeugen, das an die- Magnetfelds symbolisieren. Eine Modulation wird sen Transparenzbereich angepaßt ist, hat das Inter- erreicht durch Einführen einer Magnetfeldkompoesse noch weiter vergrößert. Bisher jedoch haben die 5 nente in Lichtübertragungsrichtung. Dies kann beiWahl der Wellenlänge, die kristallographische Orien- spielsweise bewerkstelligt werden durch Hindurehtierung, die Zusammensetzung sowie andere Para- schicken eines Stroms durch die auf den Körper 1 meter dahingehend zusammengewirkt, daß der Be- aufgeschobene Wicklung 7.

trieb derartiger Modulatoren auf eine Bandbreite Im vorstehenden ist gesagt worden, daß die

von etwa 5 bis 10 MHz beschränkt ist. io Kristallorientierung kritisch ist, Die anisotrope Ener-

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen giefläche im Granat hat einen Sattelpunkt längs der

Granat-Lich'modulator verfügbar zu machen, der [110]-Achse. Dieses anisotrope Feld, das einer Nei-

bei weit größerer Bandbreite betrieben werden kann. gung der Magnetisierung in einer Ebene senkrecht

Die Bedingungen, die zu dieser verbesserten Eigen- zur Papierebene widersteht, bewirkt eine Zunahme

schaft führen, sind kritisch. Ähnlich bestimmten an- 15 der ferromagnetischen Resonanzfrequenz für jedes

deren Vorrichtungen, die in der Vergangenheit vor- gegebene anstehende Feld, wodurch ein Betrieb bei

geschlagen wurden, verwenden diese Modulatoren erhöhter Frequenz ermöglicht wird. Während eine

eisenhaltige magnetisch sättigbare Materialien in Neigung in diese R' 'htung gehindert ist, führt die

Granatstruktur. Fs ist jedoch erforderlich, daß ein Existenz der Richtungen leichter Magnetisierbarkeit

gewisser Teil des tetraedriscl^n Eisens durch ein 20 [111] in der Papierebene zwischen den orthogonalen

nichtmagnetisches Material, vor allem Gallium oder Richtungen [100] und [110] zu einer Tendenz de··

Aluminium, ersetzt wird. Die Wirkung dieser Sub- Magnetisierung, sich in Richtung der Lichtübertra-

stitution ist eine Verringerung des Magnetfeldes, drs gung zu neigen.

zur Sättigung des Kristalls erforderlich ist, wodurch Währenddes Betriebs ist der kristalline Körper 1 der zur Erzeugung eines gegebenen Modulations- 25 magnetisch gesättigt, beispielsweise durch ein senkprads erforderliche Energiebetrag verringert wird. recht verlaufendes Magnetfeld 6. Das zugeführte Feld Eine zweite Forderung betrifft die kristallographische überschreitet mit Vorteil den für die Sättigung erfor-Orientierung. Bei der grundsätzlichen Anordnung deriichen Wert aus noch zu erläuternden Gründen, verläuft die Lichtübertragung in der [100]-Richtung Unter diesen angenommenen Betriebsbedingungen bei einem angelegten magnetischen Gleichfeld in der- 30 läuft ein an der Stirnfläche 3 eingeführter eben polajenigen Ebene, weiche durch die Lichtübertragungs- risierter Lichtstrahl 2, dessen Polarisationsebene einrichtung und eine zu dieser senkrecht orientierten weder parallel oder senkrecht zum Feld 6 orientiert f 1 101-Richtung definiert ist. Dieses Gleichfeld ist ist. durch den Kristall ungeändert hindurch. Ein Ηύι- *o angeordnet, daß es eine Komponente in dieser durchschicken eines Stroms durch die Wicklung 7 be-[1 IO]-Richtung besitzt, und in einem beispielhaften 35 wirkt eine Neigung der Magnetisierung, so daß die-Fall verläuft es völlig längs dieser Achse. Eine solche selbe eine Komponente in Ltchtiibertragungsrichtung Orientierung ermöglicht eine beträchtliche Zunahme besitzt. Die Größe dieser Drehung bestimmt den im Frequenzansprechverhalten für eine gegebene Grad der Rotation oder der Phasen-Retardation oder Höhe der in der Probe »verheizten« Energie. der Frequenzänderung, je nach Art des Systems. Un-

Demgemäß ist die erfindungsgemäße Lösung der 40 abhängig von der Betriebsart kann der Modulations-Aufgabe für den Lichtmodulator der einleitend be- grad durch Verwendung geeignet teilrcflektierender Kchriebenen Art dadurch gekennzeichnet, daß in dem Flächen 8 und 9 verstärKt werden. Der resultierende Material des Granatkörpers zumindest 6 "n der Eisen- Hohlraum ermöglicht ein Zurückhalten des Licht-Htomc durch Atome eines nichtmagnetischen Eic- Strahls für eine gegebene statistische Anzahl Durchments substituiert sind, daß die [!00]-Richtung des 45 gänge. wobei während jedem Durchgang die Modu-Granatkörpers im wesentlichen in Richtung des zu lation erhöht wird. Da die zur Erhöhung der Modumoclulicrenden Lichts verläuft, daß die Richtung der lation in einer gegebenen Kristallängc für einen cin-Orthogonalkomponente des Magnetfelds im wescnt- zigen Duchgang erforderliche Leistung sich mit dem liehen einer [IO()]-Richtung entspricht, und daß die Quadrat des Modulationsgrades ändert, ist von die-Feldriehtung im wesentlichen in eine durch die [ICiI]- 50 scm Standpunkt aus der Vorteil beachtlich,
und [ Π 0]-Richtung definierten Ebene liegt. Im vorstehenden wurde gesagt, daß der Kristall-

Der crfindungsgcmäße Lichtmodulator eignet sich körper nicht aus YIG sondern aus substituiertem

für Wcllenlängcnbcrciche von I bis etwa 10 Mikron. YIG besteht. Die Substitution ist dabei so, daß

Die nachfolgende Beschreibung erfolgt an Hand einige der tetraedrisch koordinierten Eisenionen durch

der Zeichnung; es zeigt die 55 nich'magnctischc Ionen ersetzt werden. (Die tctra-

Figur eine schcmalische Ansicht eines erfindungs- edrisch koordinierten Eisenionen überschreiten im

gemäßen Licht-Modulators. nichtsubstituierten Material die Anzahl der okta-

Das in der Figur dargestellte Element besteht in edrisch koordinierten Eisenionen und sind deshalb

der Hauptsache aus einem kristallinen Körper 1 aus für das Gesamtmoment im Granat verantwortlich.)

einem substituierten, eisenhaltigen ferrimagnetischen 60 Beispielhafte Tcil-Substituenten sind Gallium und

Granat. Ein Lichtstrahl 2 wird an der Stirnfläche 3 Aluminium, wobei das erstere bevorzugt wird, und

eingeführt und an der Stirnseite S bei 4 ausgekoppelt. zwar wegen der höheren Dotier-Niveaus. In jedem

Die KristaLorientierung ist so, daß die Lichtübertra- Fall beträgt die normale Substitution 0,3 Atome un-

gung längs einer [IOO]-Kristallrichtung verläuft. Eine magnetischer Ionen pro 5 Eisenatome. Auf der glei-

zur Übertragungsrichtung senkrechte Richtung, bei- fis chen Basis beträgt die maximale Substitution durch

spielsweise in der Zeichenebene, definiert eine [110]- Gallium und Aluminium 1,2 bzw. 1,3 Atome. Ein

Kristallrichtung. Eine (nicht dargestellte) Magnet- bevorzugter Bereich reicht von 0,8 bis 1,1 Atome

einrichtung ist zur magnetischen Sättigung des Kri- entweder des Galliums oder des Aluminiums auf der

gleichen Grundlage. Der Wert dieser speziellen Substitutionen beruht auf der sehr starken von diesen Ionen gezeigten Bevorzugung für Hie tetraedrischen Gitterplätze. Eine Substitution entweder durch Gallium oder durch Aluminium erfolgt praktisch nur an den tetraedrischen Gittcrstellen bei dem niedrigeren Substitutionsgrad innerhalb des vorgeschriebenen Bereichs. Die tetraedrische Bevorzugung ist jedoch bei Gallium höheren Dotier-Niveaus starker als bei Aluminium, es ergibt sich daher eine Disparität für äquivalente Ergebnisse, die sich auch in den nichtUbefeinstimmenden Substitutionsbereichsgrenzen äußert. Andere Substituenten sind gleichfalls von Interesse. Ein Beispiel hierfür ist Vanadium. Dieses Material und sein zulässiger Substitutionsbereich wird noch erläutert werden.

Eine Substitution der für die Gesamtfeldstärke verantwortlichen Eisenionen durch nichtmagnetische Ionen führt zu einem kleineren Wert der Sättigungsfeldstärke 4τ M,. Dieser Wert beträgt für das unkompensierte Material 1770Gauß und nur etwa 270Gauß für die angegebenen bevorzugten Substitutionsbereiche. Für eine Stabkonfiguration von der in F i g. 1 dargestellten Art und für die angegebene Orientierung ist das zur Sättigung erforderliche Normal-Feld annähernd gleich der Hälfte der angegebenen Werte.

Man sieht daher, daß das Sättiungs-Normalfeld durch diese Substitution von 880 Oersted auf etwa 135 Oersted herabgesetzt wird. Da der Modulationsgrad immer von der Größe der magnetischen Komponente in Übertragungsrichtung abhängig ist und da die zur Neigung des Sättigungsfelds erforderliche Energie von der Größe des Sättigungsfelds abhängt, führt eine Verringerung des erforderlichen Sätticungsfelds zu einer Verringerung des modulierenden Stroms.

Die minimale Menge nichtmagnetischer Ionen ist diejenige, welche zur Reduzierung des Sättigungsfelds auf den halben Wert des Sättigungsfelds für das nichtsubstituierte Material erforderlich ist. Die angegebenen Maximalwerte sind jene, die zur Reduzierung des anstehenden Normal-Sättigungsfelds aus etwa (SO Oersted erforderlich sind Es gibt zwei grundsätzliche Gründe, die angegebenen Maximalwerte nicht zu überschreiten. Substitutionen dieser Art führen zu einer abnehmenden Curie-Temperatur. Die Curie-Temperatur von unsubstituierten YlG ist 5-1? K. Bei einer Substitution mit einem Atom Gallium oder mit 1.1 Aluminium-Atomen wird die Curie-Temperatur auf etwa 420 K herabcescvt. Für die maximalen Substitutionen lieit dieser Wert ctw?. bei 530 K. Größere Substitutionen führen zu eineerhöhten Temperaturempfindlichkeit und -ind insbesondere für einen Betrieb bei Raumtemperatur unerwünscht. \ on diesem Standpunkt aus eesehen könnten für tiefere Betriebstemperaturen höhere Substitutionen zugelassen werden. Erhöhte Gallium- oder Aluminiumbeträge sjnd jedoch unerwünscht, da >:e zu einer bedeutsamen Reduzierung der spezifischen Drehung (oder Phasenänderung) führen. Die spezifische Drehung. 172 pro Zentimeter im unsubstituierten Material, hängt in der Hauptsache vom oktaedrisch koordinierten Eisen ab und wird folglich nur zu dem Ausmaß reduziert, in welchem die Substitutionsionen das Eisen in diesen Gitterplätzen ersetzen. Die Substitution findet bei den niedrigeren Substitutionsgraden weitgehend an den tetraedrischen Gitterplätzen statt, so daß beispielsweise die Drehung auf nur etwa 112 pro Zentimeter für eine Zusammensetzung absinkt, die ein Galliumatom enthält. Eine weitere Zugabe von 0,25 Galliumatomen drückt jedoch diesen Wert auf 40 oder 50 pro Zentimeter herunter, und zwar in der Hauptsache wegen derVer ringerung der Curie-Temperatur.

Während Gallium und Aluminium als die erfolgversprechendsten ionischen Substituenten befunder wurden, sind auch andere Elemente, die eine starke Bevorzugung für tetraedrisches Eisen zeigen, geeig net. Ein derartiges Element ist Vanadium, das wie gefunden wurde, in Mengen bis zu 1.5 Atomen pro 5 Eisenatome in die angegebene Formel eingebaul werden kann. Selbstverständlich führt eine Verwendung von mehr als einem Atom dieses Elements zi

«ο einer Situation, in der das vom oktaedrischen Eiser erzeugte Moment vorherrscht. Während derartig große Substitutionsgrade zu einer etwas verringerter spezifischen Drehung führen können, führen sie nichi zu einer so großen Verringerung der Curie-Tempera

as Wr. die dem vorstehend erwähnten ionischen Substi tuenten zugeordnet ist.

Vorstehend erfolgte die Beschreibung an Hand vor Yttrium-Ca'ionen. obgK-ich auch eine bestimmt_t Substitution auf der Yttrium-Seite im Falle der Ver wendung des oben erwähnten fünfwertigen Vanadiums erforderlich ist. Im allgemeinen ist die sehi große Gruppe der Seltene-Erde-Eisen-Granate fü diese Zwecke ungeeignet, da der diesen Cationer (Seltene Erden) zugeordnete Dämpfungsmechanismir bedeutsam ist. I.utecium-Eisen-Granat ist jedoch al· zu YIG äquivalent bekannt und eignet sich für di< Verwendung in den I.ichtmodulatoren der Erfindunc Eine vollständige oder teilweise Substitution vo: Yttrium durch andere Elemente wie Wismut um

Kalcium ist zulässig.

Die Transparenz von YIG und die hiermit ver wandten oben beschriebenen Zusammensetzungen smi allgemein in Applied Phvsjcs Letters. Bd. 7. S. 27. ober beschrieben. Die Transparenz reicht von etwa 1.2 Mi krön bis eiwa 4 Mikron bei R lumtemperatur. Di-Bereich verbreitert sich bei tieferen Temperature· und erstreckt sich bei der Temperatm des flüssige! Stickstoffs von etwa 1 Mikron bis etwa 10 Mikron Die Transparenz am hochfrequenten Ende kann \er bessert werden durch Minimalisieren des zweiwer 'inen T:i-enee!ialts. wie dies im Journal of Applie· Phvsics Supplement. Mär/ Ι^ι1Λή. beschrieben :■-' S\sterne, in denen die Modulatoren der Ernndu;v verwendet «erden, müssen jn dem angegebene; WeüenHincenbereich betrieben werden. Mösiieheweise existieren hier einice akzeptable Laser-Oszili;". toren. Bei einigen der hier beschriebenen Unter suchungen ist ein Helium-Neon-Laser verwende worden, der bei 1.52 Mikron arbeitet. Unter de;

*g Festkörper-Lasern sind folgende geeignet:

Neodym-YAG (Yttrium-AIuminium-Granat) be 1.06 und 1.34 Mikron.
Thulium-YAG bei 1.9 Mikron.
Holmium-YAG bei etwa 1.9 Mikron.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Magnetooptischer Lichtmodulator mit einem einkristallinen, eisenhaltigen, ferrimagnetischen a Granatkörper, der einem Magnetfeld mit einer orthogonal zur Strahlungslaufrichtung orientierten Komponente und von einer zumindest für die Sättigung des Granatkörpers ausreichenden Größe ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Material des Granatkörpers zumindest 6 ⁰Zo der Eisenatome durch Atome eines nichtmagnetischen Elements substituiert sind, daß die [100]-Richtung des Granatkörpers im wesentlichen in Richtung des zu modulierenden Lichts verläuft, daß die Richtung der Orthogonalkomponente des Magnetfelds im wesentlichen einer [1lOJ-Richtung entspricht und daß die Feldrichtung im wesentlichen in einer durch die [100]- und [110]-Richtung definierten Ebene liegt.

2. Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als das nichtmagnetische Element zumindest ein Element vorgesehen ist. das aus Gallium und Aluminium ausgewählt ist. und daß der maximale Substitutionsgrad mit nicht magnetischen Ionen 24" « Galliumionen und 26⁰O Aluminiiimionen beträgt.

3. Modulator nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Substitutionsgrad zwischen 16 und 22 ⁰O liegt.

4. Modulator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, aaß eine Einrichtung zum Neigen des sättigenden Felds in Richtung des zu modulierenden Lichts vorgesehen ist.

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