JPS5922213B2 - 光変調器 - Google Patents
光変調器Info
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- JPS5922213B2 JPS5922213B2 JP47121353A JP12135372A JPS5922213B2 JP S5922213 B2 JPS5922213 B2 JP S5922213B2 JP 47121353 A JP47121353 A JP 47121353A JP 12135372 A JP12135372 A JP 12135372A JP S5922213 B2 JPS5922213 B2 JP S5922213B2
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- crystal
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Links
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
- G02F1/292—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection by controlled diffraction or phased-array beam steering
Landscapes
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- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
この発明は、光変調器に関するものであり、電気光学結
晶内を光を伝播させるに際し、結晶内の光の伝播速度を
光の進行方向に垂直な方向に周期的変化させ、その結晶
に位相面の揃つたコヒーレント光束を入射して結晶から
角度の異なる複数の方向に出て来る光を得、各方向の成
分の強度が上記伝播速度の変化量に応じて変化する現象
を利用したものである。
晶内を光を伝播させるに際し、結晶内の光の伝播速度を
光の進行方向に垂直な方向に周期的変化させ、その結晶
に位相面の揃つたコヒーレント光束を入射して結晶から
角度の異なる複数の方向に出て来る光を得、各方向の成
分の強度が上記伝播速度の変化量に応じて変化する現象
を利用したものである。
発明者は、この種の光変調器を発明して、先に特願昭4
7−72345号(特開昭49−31335号)なる特
許出願をしたが、その発明においては、電気光学結晶内
に光の伝播方向に垂直な方向に周期的変化をする電界を
作り、その電界の示す電気光学効果によつて同じ場所的
周期で光の伝播速度を変化させ、位相面の揃つたコヒー
レント光がその電気光学結晶中の該電界存在部分を伝播
した結果として位相が光の伝播方向に垂直な方向に当該
周期で変化した光が得られ、位相が波面に沿つて周期的
変化をしている波は平均の波面に対して小さな一定角の
整数倍の複数の一様平面波の韮ね合わせからなるもので
あることから、上記電気光学結晶から出た光が遠方にお
いては上記の複数の一様平面波の伝播方向において別々
の出力光束として観測され、その複数の出力光束の各成
分の強度は上記の位相の周期的変化の深さ、つまり元を
ただせぱ周期的変化をする電界を作るに用いられた電圧
の大きさに応じた変化をすることを利用しているのであ
る。
7−72345号(特開昭49−31335号)なる特
許出願をしたが、その発明においては、電気光学結晶内
に光の伝播方向に垂直な方向に周期的変化をする電界を
作り、その電界の示す電気光学効果によつて同じ場所的
周期で光の伝播速度を変化させ、位相面の揃つたコヒー
レント光がその電気光学結晶中の該電界存在部分を伝播
した結果として位相が光の伝播方向に垂直な方向に当該
周期で変化した光が得られ、位相が波面に沿つて周期的
変化をしている波は平均の波面に対して小さな一定角の
整数倍の複数の一様平面波の韮ね合わせからなるもので
あることから、上記電気光学結晶から出た光が遠方にお
いては上記の複数の一様平面波の伝播方向において別々
の出力光束として観測され、その複数の出力光束の各成
分の強度は上記の位相の周期的変化の深さ、つまり元を
ただせぱ周期的変化をする電界を作るに用いられた電圧
の大きさに応じた変化をすることを利用しているのであ
る。
ところで、上述の複数の出力光束の伝播方向の角度は、
上記の電界の周期的変化の周期に反比例するから、実用
上十分な出力光束の分離を得るためには、電界の周期的
変化の周期は数分の1ミリメートルの程度とならなけれ
ばならないし、またこのような周期的な電界は、その周
期の(%π)の厚さに集中することが知られていること
から、実際に周期的電界が存在する厚さは極めて薄い範
囲内となる。
上記の電界の周期的変化の周期に反比例するから、実用
上十分な出力光束の分離を得るためには、電界の周期的
変化の周期は数分の1ミリメートルの程度とならなけれ
ばならないし、またこのような周期的な電界は、その周
期の(%π)の厚さに集中することが知られていること
から、実際に周期的電界が存在する厚さは極めて薄い範
囲内となる。
したがつて、この種の光変調器では、光変調として実用
上十分なだけの各光束の強度変化を得るには、上記の極
めて薄い電界集中部分内を十分な長さ光束を伝播させな
ければならず、そのための光の入射方法が重要な事項と
なる。この発明は、上記の電気光学結晶の1つの表面に
正負交互に帯電した電極をもうけた場合に、上記電界が
その表面から僅かの深さにだけ集中した表皮電界を形成
する事実にもとづいて、その表面と僅かな角度をなす伝
播方向をもつて表面の裏側から光を入射させて当該表面
で全反射をさせ、その全反射の前後において比較的長い
距離にわたつて上記の表皮電界の中を伝播し周期電界の
影響を大きく受ける事実を利用して比較的容易且つ安定
に有効な入射条件を満足させることができる光変調器を
提供することを目的とする。以下図面に従つてこの発明
の構成及び作用を説明する。
上十分なだけの各光束の強度変化を得るには、上記の極
めて薄い電界集中部分内を十分な長さ光束を伝播させな
ければならず、そのための光の入射方法が重要な事項と
なる。この発明は、上記の電気光学結晶の1つの表面に
正負交互に帯電した電極をもうけた場合に、上記電界が
その表面から僅かの深さにだけ集中した表皮電界を形成
する事実にもとづいて、その表面と僅かな角度をなす伝
播方向をもつて表面の裏側から光を入射させて当該表面
で全反射をさせ、その全反射の前後において比較的長い
距離にわたつて上記の表皮電界の中を伝播し周期電界の
影響を大きく受ける事実を利用して比較的容易且つ安定
に有効な入射条件を満足させることができる光変調器を
提供することを目的とする。以下図面に従つてこの発明
の構成及び作用を説明する。
第1図は、この発明における光変調の一般的原理を誇張
して図解するものである。
して図解するものである。
電気光学結晶1の中には場所的周期大でz方向に変化す
る周期電界Eが作られ、その結果電気光学効果により同
じ周期んでz方向に変化する屈折率nの周期変化が作ら
れる。
る周期電界Eが作られ、その結果電気光学効果により同
じ周期んでz方向に変化する屈折率nの周期変化が作ら
れる。
z方向を3m対称の電気光学結晶のc軸にとれば、無電
界下屈折率Neに対する屈折率変化量△nはで与えられ
る。
界下屈折率Neに対する屈折率変化量△nはで与えられ
る。
2はレーザ等のコヒーレント光源であつて、これを出た
波長λ強度γの入射光は、電気光学結晶1内をy方向に
距離lだけ伝播した後、上記電界の場所的変化と同じ周
期んでz方向に位相φがで与えられる周期的変化をした
波となる。
波長λ強度γの入射光は、電気光学結晶1内をy方向に
距離lだけ伝播した後、上記電界の場所的変化と同じ周
期んでz方向に位相φがで与えられる周期的変化をした
波となる。
この波を一様平面波に分解すると、伝播方向θm(直進
方向に対する角度、単位ラジアン)がそれぞれであり、
強度1mがそれぞれで与えられる複数個の一線平面波が
出力光として得られる。
方向に対する角度、単位ラジアン)がそれぞれであり、
強度1mがそれぞれで与えられる複数個の一線平面波が
出力光として得られる。
(mは次数と呼ばれる。J77lは、m次ベツセル函数
である。)各次数の成分が十分分離した位置lζスリツ
ト3を設け、そゑ出力光成分の1つ(図では0次成分)
をえらび出すことによつて、EOに応じて変化する出力
光の強度変調が得られる。なお、その伝播方向がy軸方
向と僅かに傾いていてE。が光の伝播通路上で変化して
いるときは、光の伝播方向に沿つて測つた長さをSとす
れば、(3)式中のφ。は、のように修正される(すな
わち、(3)式中の1E0が積分の形で表わされること
になる)。
である。)各次数の成分が十分分離した位置lζスリツ
ト3を設け、そゑ出力光成分の1つ(図では0次成分)
をえらび出すことによつて、EOに応じて変化する出力
光の強度変調が得られる。なお、その伝播方向がy軸方
向と僅かに傾いていてE。が光の伝播通路上で変化して
いるときは、光の伝播方向に沿つて測つた長さをSとす
れば、(3)式中のφ。は、のように修正される(すな
わち、(3)式中の1E0が積分の形で表わされること
になる)。
第2〜4図は、z方向に周期的変化をする電界Eを作る
ための電極構造の一例を示す。
ための電極構造の一例を示す。
第2図に示すように、電極11,12は、結晶のZy表
面上にホトエツチング法等で形成された幅δの単位長さ
当り2ν本の等間隔なy方向に長い金属膜からなり、交
互に同電位に接続され、その間に電圧vが加えられる。
第3図は、第2図の部分の拡大図であつて、寸法の一例
が記入されている。第4図は第2図の部分におけるXz
面に平行な断面の拡大図であり、電界分布の様子が概念
的に示されている。電気光学結晶は、1より十分大きな
比誘電率(リシウムタンタレートはεe/εo=43)
をもつから、電気変位は結晶内に集中する(すなわち、
空間の側を計算に含めない)という仮定で解かれた電界
分布の近似解の周期ん(すなわち、第1次)のフーリエ
成分は、で与えられる。
面上にホトエツチング法等で形成された幅δの単位長さ
当り2ν本の等間隔なy方向に長い金属膜からなり、交
互に同電位に接続され、その間に電圧vが加えられる。
第3図は、第2図の部分の拡大図であつて、寸法の一例
が記入されている。第4図は第2図の部分におけるXz
面に平行な断面の拡大図であり、電界分布の様子が概念
的に示されている。電気光学結晶は、1より十分大きな
比誘電率(リシウムタンタレートはεe/εo=43)
をもつから、電気変位は結晶内に集中する(すなわち、
空間の側を計算に含めない)という仮定で解かれた電界
分布の近似解の周期ん(すなわち、第1次)のフーリエ
成分は、で与えられる。
(6)式において、明らかなように、z方向に周期的に
変化する電界は実質的に表面から己7の深さに集中した
表皮篭界を形成する。第5図は、この発明の実施例とし
てのコヒーレントな光束の入射方法と篭気光学結晶中の
光の伝播経路を示す光路図である。レーザ光源2を出た
y軸に平行なコヒーレント光束は、z軸方向に軸をもつ
円柱レンズ210に偏心した位置に入射する。円柱レン
ズ210によつて、x軸方向に薄くz軸方向に長くて扁
平でy軸に対して小さい角度だけ傾いた光束に変換され
、電気光学結晶1のXz面に平行な端面(図では右)に
入射し、Yz面に結像する。第5図においてはこの結像
の位置をy′:一0にとつて画かれている。この場合、
像は幾何光学的にはz軸上に横たわりレーザ光束の直径
に等しい長さの線分である。電気光学結晶1の内部にお
ける入射光束のy軸に対する傾きをαとすると、の条件
を満たす光束はYz面において全反射し、電気光学結晶
1のXz面に平行なもう一つの端面から射出する。
変化する電界は実質的に表面から己7の深さに集中した
表皮篭界を形成する。第5図は、この発明の実施例とし
てのコヒーレントな光束の入射方法と篭気光学結晶中の
光の伝播経路を示す光路図である。レーザ光源2を出た
y軸に平行なコヒーレント光束は、z軸方向に軸をもつ
円柱レンズ210に偏心した位置に入射する。円柱レン
ズ210によつて、x軸方向に薄くz軸方向に長くて扁
平でy軸に対して小さい角度だけ傾いた光束に変換され
、電気光学結晶1のXz面に平行な端面(図では右)に
入射し、Yz面に結像する。第5図においてはこの結像
の位置をy′:一0にとつて画かれている。この場合、
像は幾何光学的にはz軸上に横たわりレーザ光束の直径
に等しい長さの線分である。電気光学結晶1の内部にお
ける入射光束のy軸に対する傾きをαとすると、の条件
を満たす光束はYz面において全反射し、電気光学結晶
1のXz面に平行なもう一つの端面から射出する。
ここで、αが小さいほど光束が電界存在部分を長く通過
できるので、変調度を深くすることができるが、実際に
は精度上の問題から0.017ラジアン程度が望ましい
。光線の経路に沿つてのz方向に周期的変化をする電界
の振幅E。
できるので、変調度を深くすることができるが、実際に
は精度上の問題から0.017ラジアン程度が望ましい
。光線の経路に沿つてのz方向に周期的変化をする電界
の振幅E。
の変化を考えるにあたつて、αが小さいことを考慮して
(3a)式中のsの代りにyを用い、(6)式において
νδか十分1より小さいという近似苓用いれば、EOの
光線の径路に沿つての変化はで与えられる。
(3a)式中のsの代りにyを用い、(6)式において
νδか十分1より小さいという近似苓用いれば、EOの
光線の径路に沿つての変化はで与えられる。
(6a)式♂(3a)式に代入して、
が得られる。
積分の結果は
(8)式は見掛上αを小さくするほど大きくなるように
みえるが、αには光の回折による限度がありその限度α
。
みえるが、αには光の回折による限度がありその限度α
。
はで与えられる。
また、電気光学結晶1に入射するコヒーレントな光束に
は広がりがあるから、αは光束の中心軸に沿つた光線の
傾きα。のまわりにある分布をもつ。(8)式を(5)
式に代入するとm次の出力光成分の強度はで与えられる
。
は広がりがあるから、αは光束の中心軸に沿つた光線の
傾きα。のまわりにある分布をもつ。(8)式を(5)
式に代入するとm次の出力光成分の強度はで与えられる
。
入射コヒーレント光束中のαの分布をα。を中心としα
1なる角度幅の平均2乗分散 二をもつガウス分布で与
えられるとしたときのm次出力光成分の強度は、で与え
られる。
1なる角度幅の平均2乗分散 二をもつガウス分布で与
えられるとしたときのm次出力光成分の強度は、で与え
られる。
これらの出力光成分は、焦点距離fの凸レンズ211に
よつてx軸に平行なスリツト3に結像する。この場合、
像はx軸に平行な線分の列でありそのz方向の位置は、
直進成分の結像箇所を原点として左右に、Zm−mνλ
f(ただし,m−0,±1,±2・・・) 03)であ
る。
よつてx軸に平行なスリツト3に結像する。この場合、
像はx軸に平行な線分の列でありそのz方向の位置は、
直進成分の結像箇所を原点として左右に、Zm−mνλ
f(ただし,m−0,±1,±2・・・) 03)であ
る。
このように結晶表面の結晶内側で光を全反射させて伝播
させると、表面に近い部分(そこに電界が集中している
)をその分だけ長く通過することになり、変調感度をそ
れだけ向上させることができ、また全反射を起こす角度
範囲はかなり余裕があるので、光束を確実に電開存在部
分に導くことが容易となり、表面付近を一直線で通過さ
せる方式にくらべると、はるかに組立調整が容易である
。
させると、表面に近い部分(そこに電界が集中している
)をその分だけ長く通過することになり、変調感度をそ
れだけ向上させることができ、また全反射を起こす角度
範囲はかなり余裕があるので、光束を確実に電開存在部
分に導くことが容易となり、表面付近を一直線で通過さ
せる方式にくらべると、はるかに組立調整が容易である
。
第6図中の実線は、第3図に与えられる電極寸法を用い
た場合において、中心軸の傾きα。=?・?二0.01
66に対する実験例における各次数の出力光成分のvに
対する変化を示す。
た場合において、中心軸の傾きα。=?・?二0.01
66に対する実験例における各次数の出力光成分のvに
対する変化を示す。
0次出力光成分の最大傾斜の点において引いた接線から
求めた実効100%変調電圧Veffは18.0ボルト
であつて従来から用いられている横形変調器の場合の最
も良いものに対して約5分の1の大きさである。
求めた実効100%変調電圧Veffは18.0ボルト
であつて従来から用いられている横形変調器の場合の最
も良いものに対して約5分の1の大きさである。
第6図中の丸印は、(11)式において、α00.01
85α,=0.0035とおき(自)式の積分を数値積
分して得られた点を示し、実験とのきわめて良い一致を
示している。
85α,=0.0035とおき(自)式の積分を数値積
分して得られた点を示し、実験とのきわめて良い一致を
示している。
また、第3図に与えられる電極寸法の有効面積は、8m
d電極内容量はC−0.7〔PF〕である。この電極容
量を抵抗R=24Ωで短絡したときので与えられる遮断
周波数Fcは、1ギガヘルツであり、0次出力光成分を
用い最大傾斜の点13.3ボルトのバイアス電圧を与え
ピーク値VO=3ボルト1ギガヘルツの周波数の交流を
加えたときので与えられる変調電力は187ミリワツト
でありで与えられる変調度は挿入損失ηを0.1とする
とx=0.30となる。
d電極内容量はC−0.7〔PF〕である。この電極容
量を抵抗R=24Ωで短絡したときので与えられる遮断
周波数Fcは、1ギガヘルツであり、0次出力光成分を
用い最大傾斜の点13.3ボルトのバイアス電圧を与え
ピーク値VO=3ボルト1ギガヘルツの周波数の交流を
加えたときので与えられる変調電力は187ミリワツト
でありで与えられる変調度は挿入損失ηを0.1とする
とx=0.30となる。
以上の実験例が示すように、この発明によつて実用的な
変調増幅器を開いて1ギガヘルツ帯で十分大きな変調度
の光変調が得られることが例証される。
変調増幅器を開いて1ギガヘルツ帯で十分大きな変調度
の光変調が得られることが例証される。
この発明によつてもたらされる効果は、単に変調電圧を
数分の1に下げたに止まらず。Wianδ に相当した
電気光学結晶内の発熱から生じる問題から光変調器を開
放し、また半導体広帯域変調増幅器の可能な出力の範囲
に変調電力を下げ、またきわめて容易に光学的に調整し
得る入射方法を与えることにある。
数分の1に下げたに止まらず。Wianδ に相当した
電気光学結晶内の発熱から生じる問題から光変調器を開
放し、また半導体広帯域変調増幅器の可能な出力の範囲
に変調電力を下げ、またきわめて容易に光学的に調整し
得る入射方法を与えることにある。
第1図はこの発明の原理を図解する模式図、第2図はこ
の発明の変調素子たる結晶を示す斜視図、第3図は第2
図の部分の表面拡大図、第4図は第2図の−線断面拡大
図、第5図は光束の進行状況を図解する断面図、第6図
は変調特性を示すグラフである。 1・・・・・・電気光学結晶、11,12・・・・・・
櫛歯状電極、2・・・・・・コヒーレント光源(レーザ
光源)、3・・・・・・スリツト、E・・・・・・電界
、f・・・・・・焦点距離、210・・・・・・円柱レ
ンズ、211・・・・・・凸レンズ。
の発明の変調素子たる結晶を示す斜視図、第3図は第2
図の部分の表面拡大図、第4図は第2図の−線断面拡大
図、第5図は光束の進行状況を図解する断面図、第6図
は変調特性を示すグラフである。 1・・・・・・電気光学結晶、11,12・・・・・・
櫛歯状電極、2・・・・・・コヒーレント光源(レーザ
光源)、3・・・・・・スリツト、E・・・・・・電界
、f・・・・・・焦点距離、210・・・・・・円柱レ
ンズ、211・・・・・・凸レンズ。
Claims (1)
- 1 電気光学結晶と、該結晶の1表面の裏面のほぼ中央
部において全反射を1回起こして光が結晶内を進行する
範囲の角度で該結晶に位相面の揃つたコヒーレント光束
を入射する手段と、該結晶内の該表面の裏面付近に光の
伝播方向に垂直な方向に周期的変化をする電界を生じる
ように該表面に正負交互に設けた電極と、該電極に変調
信号に応じた電圧を与える手段を備えることにより、該
結晶内を該光束を伝播させた結果として角度の異なる複
数の方向に進行する出力光束を得、該出力光束のうち少
なくとも1つの光束の強度を該変調信号に応じて変化さ
せることを特徴とする光変調器。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP47121353A JPS5922213B2 (ja) | 1972-12-04 | 1972-12-04 | 光変調器 |
| US419869A US3887885A (en) | 1972-12-04 | 1973-11-28 | Electrooptic modulator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP47121353A JPS5922213B2 (ja) | 1972-12-04 | 1972-12-04 | 光変調器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS4979261A JPS4979261A (ja) | 1974-07-31 |
| JPS5922213B2 true JPS5922213B2 (ja) | 1984-05-25 |
Family
ID=14809162
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP47121353A Expired JPS5922213B2 (ja) | 1972-12-04 | 1972-12-04 | 光変調器 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US3887885A (ja) |
| JP (1) | JPS5922213B2 (ja) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3958862A (en) * | 1974-06-14 | 1976-05-25 | Scibor Rylski Marek Tadeusz Vi | Electro-optical modulator |
| US4005927A (en) * | 1975-03-10 | 1977-02-01 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Broad bandwidth optical modulator and switch |
| JPS5234752A (en) * | 1975-04-22 | 1977-03-16 | Hagiwara Denki Kk | Photomodulator |
| US4115747A (en) * | 1976-12-27 | 1978-09-19 | Heihachi Sato | Optical modulator using a controllable diffraction grating |
| JPS54121756A (en) * | 1978-03-15 | 1979-09-21 | Fuji Xerox Co Ltd | Light modulator |
| US4257016A (en) * | 1979-02-21 | 1981-03-17 | Xerox Corporation | Piezo-optic, total internal reflection modulator |
| US4343536A (en) * | 1979-05-15 | 1982-08-10 | Nippon Electric Co., Ltd. | Electro-optic light deflector |
| US4281904A (en) * | 1979-06-21 | 1981-08-04 | Xerox Corporation | TIR Electro-optic modulator with individually addressed electrodes |
| US4396246A (en) * | 1980-10-02 | 1983-08-02 | Xerox Corporation | Integrated electro-optic wave guide modulator |
| JPS62260120A (ja) * | 1986-05-07 | 1987-11-12 | Kokusai Denshin Denwa Co Ltd <Kdd> | 半導体外部光変調器 |
| US5153770A (en) * | 1991-06-27 | 1992-10-06 | Xerox Corporation | Total internal reflection electro-optic modulator |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3726585A (en) * | 1971-02-22 | 1973-04-10 | A Fedotowsky | Electrically modulated radiation filters |
-
1972
- 1972-12-04 JP JP47121353A patent/JPS5922213B2/ja not_active Expired
-
1973
- 1973-11-28 US US419869A patent/US3887885A/en not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| APPL. PHYS. LETTERS#N4=1971 * |
| APPL. PHYS. LETTERS#N7=1972 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US3887885A (en) | 1975-06-03 |
| JPS4979261A (ja) | 1974-07-31 |
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