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Lexikon der Optik

Modulation des Lichtes

Modulation des Lichtes, zeitabhängige Steuerung der Parameter Intensität oder/und Phase oder/und Polarisation eines Lichtbündels entweder einheitlich über den gesamten Bündelquerschnitt (Modulatoren im engeren Sinne) oder von Bildelement zu Bildelement unterschiedlich (räumliche Lichtmodulatoren). Modulatoren im engeren Sinne sind die folgenden Elemente.

Pockels-Zelle. Dabei handelt es sich um die Anordnung eines Kristalls, der den Pockels-Effekt (elektrooptische Effekte) zeigt, zwischen zwei Elektroden (Abb.). Das einfallende Licht wird mit einem Polarisator in x-Richtung polarisiert. Eine zeitlich modulierte elektrische Spannung U(t) wird über zwei lichtdurchlässige Elektroden an die Ein- und die Austrittsfläche des Kristalls angelegt. Für U=0 liegen für die längs x' und y' polarisierten Komponenten z.B. im Kristall KDP gleiche Ausbreitungsgeschwindigkeiten vor, die jedoch durch den Pockels-Effekt bei U≠0 unterschiedliche Werte erhalten. Am Ausgang des Kristalls entsteht so elliptisch polarisiertes Licht, aus dem nach Passieren eines λ/4-Plättchens und eines zum Polarisator gekreuzten Analysators Licht wird, das mit U(t) intensitätsmoduliert ist. Das λ/4-Plättchen entspricht dabei einer Vorspannung. Man verwendet es, um in einem möglichst linearen Teil der an sich sinusförmigen Kennlinie zu arbeiten. Bei Verwendung eines KDP-Kristalls benötigt man für eine vollständige Hell-Dunkel-Steuerung die sogenannte λ/2-Spannung von 8,4 kV. Transversal zur Lichtausbreitungsrichtung angelegte Felder und z.B. LiNbO3 an Stelle von KDP sind wegen geringerer erforderlicher Modulationsspannung zu bevorzugen, falls eine Verkleinerung des Lichtbündelquerschnittes zugelassen ist. Die Abmessungen des Kristalls sind beispielsweise 0,5×0,5×5 mm3. Durch Miniaturisierung (Lauffeldmodulatoren, Wellenleitermodulatoren, z.T. unter Ausnutzung von Interferenzen) bis in den Bereich der integrierten Optik können Spannung und notwendige Steuerleistung extrem vermindert werden (z.B. 1 V bei 2 bis 20 μW/MHz). Damit sind dann auch Modulationsfrequenzen bis zu einigen 10 GHz z.B. für die optische Nachrichtenübertragung möglich. Phasenmodulation erfolgt, wenn in der Abb. der Polarisator mit seiner Schwingungsrichtung parallel zur x'-Richtung orientiert wird und λ/4-Plättchen sowie Analysator entfallen. Die elektrooptische Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der x'-Komponente des Lichtes führt am Ausgang zur Phasenänderung.

Kerr-Zelle (Karolus-Zelle). Diese entspricht in ihrem Aufbau der Pockels-Zelle, nur daß Kristalle (BaTiO3, KTa0,65Nb0,35O3) oder Flüssigkeiten (Nitrobenzol, Schwefelkohlenstoff) als Medien verwendet werden, deren Doppelbrechung quadratisch mit der Steuerspannung U(t) variiert (Kerr-Effekt). Diese quadratische Abhängigkeit von der Steuerspannung führt dazu, daß bei einer konstanten Vorspannung U0 der Zelle nur eine kleinere Zusatzspannung ΔU(t) zur Modulation erforderlich ist. Die Schaltzeiten liegen im Bereich von 10 bis 100 ps. Weitere Modulationsverfahren nutzen den Faraday-Effekt (nach dem Prinzip des Faraday-Rotators), den Debye-Sears-Effekt oder den Franz-Keldysch-Effekt.

Elektrooptisch modulierte Interferometer und andere Spezialfälle von Lichtmodulatoren sind elektrooptische Schalter. Man erhält sie, indem man an Pockels- oder Kerr-Zellen momentan eine Gleichspannung von der Größe der λ/2-Spannung legt (oder eine bereits anliegende λ/2-Spannung zusammenbrechen läßt), so daß die betreffende Zelle ihre Transmission sprunghaft von 1 auf 0 oder umgekehrt ändert. Anwendung findet die M. d. L. beispielsweise zur Gütesteuerung von Lasern, in optischen Rechenwerken und in der Hochgeschwindigkeitsphotographie. In der optischen Nachrichtentechnik wird neben der direkten Modulation von Halbleiterlasern auch die M. d. L. mittels Bauelementen der integrierten Optik für Modulationsfrequenzen im Bereich von einigen 10 GHz vorgenommen.



Modulation des Lichtes: Elektrooptischer Longitudinal-Modulator (Pockels-Zelle). U(t) Wechselspannung.

  • Die Autoren
Roland Barth, Jena
Dr. Artur Bärwolff, Berlin
Dr. Lothar Bauch, Frankfurt / Oder
Hans G. Beck, Jena
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Dr. Andreas Berke, Köln
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Dr. Andreas Bode, Planegg
Prof. Dr. Joachim Bohm, Berlin
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Kurt Enz, Berlin
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Dr. Peter Fichtner, Jena
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Dr. Peter Glas, Berlin
Dr. Hartmut Gunkel, Berlin
Dr. Reiner Güther, Berlin
Dr. Volker Guyenot, Jena
Dr. Hacker, Jena
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Dr. Erwin Hoffmann, Berlin (Adlershof)
Dr. Kuno Hoffmann, Berlin
Prof. Dr. Christian Hofmann, Jena
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Prof. Dr. Gerhard Müller, Berlin
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