МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР ИНТЕНСИВНОСТИ СВЕТА

Техническое решение относится к магнитооптическим устройствам управления оптическим излучением и может быть использовано для модуляции интенсивности света в волоконно-оптических системах связи и обработки информации.
Известно устройство «Магнитооптический модулятор для сверхпроводящего цифрового интерфейса» (US 6661560 В1), включающее плоскую подложку из сверхпроводящего материала, на которой расположена магнитооптическая пленка, содержащая на поверхности источник магнитного поля, выполненный в виде плоского проводника, направление тока в котором поперечно направлению распространения линейно поляризованного света в пленке вдоль ее плоскости. Магнитооптический модулятор поляризации встроен в одно из двух плеч оптической схемы интерферометра Маха-Цендера с помощью двух оптических волокон - подводящего и выводящего свет из магнитооптической пленки.
Недостатком данного технического решения является сложность реализации оптической схемы модулятора интенсивности в виде компактного интегрально оптического устройства и необходимости использования криогенных температур.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности является «Высокоскоростной магнитооптический модулятор» (US 7133579 B2)». Модулятор включает плоскую диэлектрическую подложку, на которой расположена магнитооптическая (МО) активная среда в виде плоского оптического волновода, поверх которого расположен источник магнитного поля в виде плоского проводника, отделенного от волновода светоотражающей диэлектрической оболочкой, а направление электрического тока в нем поперечно направлению распространения света в волноводе. При отсутствии электрического тока в проводнике МО среда остается не намагниченной в направлении распространения света, поэтому положение плоскости поляризации линейно поляризованного оптического сигнала на выходе МО элемента не меняется. При пропускании электрического тока через проводник плоскость поляризации оптического изучения в волноводе испытывает поворот за счет эффекта Фарадея, вызванного намагничиванием МО среды вдоль направления распространения света под действием горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля проводника.
Модулируя ток в проводнике, модулируют поляризацию света на выходе МО волновода. Максимальное изменение амплитуды оптического сигнала в таких устройствах может быть достигнуто при условии, если угловая амплитуда колебания плоскости поляризации на выходе модулятора составляет 90 градусов.
Недостатком данного устройства является невозможность реализации магнитооптического модулятора интенсивности света в виде компактного устройства с интегрированными на одной поверхности модулятором поляризации и поляризационным фильтром.
Задачей технического решения является создание компактного устройства для модуляции интенсивности света с интегрированными на одной поверхности модулятором поляризации и поляризационным фильтром.
Поставленная задача решается тем, что магнитооптический модулятор интенсивности света, включающий плоскую диэлектрическую подложку, на которой расположена МО активная среда в виде плоского оптического волновода, поверх которого расположен источник магнитного поля в виде плоского проводника, дополнительно содержит буферный диэлектрический слой наноразмерной толщины, нанесенный на поверхность оптического волновода, на первой части которого с входного торца расположен на буферном диэлектрическом слое наноразмерной толщины плоский проводник поперечно направлению света, а на второй части расположена металлическая пленка.
Отличительными признаками заявленного решения являются наличие буферного диэлектрического слоя наноразмерной толщины, нанесенного на поверхность оптического волновода, на первой части которого с входного торца расположен на буферном диэлектрическом слое наноразмерной толщины плоский проводник поперечно направлению света, а на второй части расположена металлическая пленка.
Совокупность существенных признаков технического решения обеспечивает поглощение ТМ-поляризованной световой волны структурой за счет перекачки световой энергии в поверхностную плазмон-поляритонную волну, резонансно возбуждаемую светом на поверхности металла вдоль границы раздела с диэлектрическим подслоем. Такое поглощение происходит более интенсивно, чем в случае с покрытием из металла без буферного слоя и требуется значительно меньшая длина взаимодействия ТМ-поляризованной оптической волны с буферным диэлектрическим подслоем для достижения заданной величины поглощения, что обеспечивает значительное уменьшение рабочей длины поляризатора. Технический результат достигается за счет объединения магнитооптического модулятора поляризации и поляризационного фильтра, выполненного на основе плазмонной структуры в виде части оптически прозрачного буферного диэлектрического слоя и лежащего на этой части металлической пленки в монолитную оптическую цепь на основе общего МО волновода.
На Фиг. 1 представлено схематическое изображение магнитооптического модулятора интенсивности света.
Y
На Фиг. 2 представлено распределение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля H в координатной плоскости YZ. Ось Ζ совпадает с направлением света, лежит в плоскости, делящей толщину пленки пополам и перпендикулярна направлению тока в проводнике. Ось Y перпендикулярна поверхности проводника и проходит через его середину.
Устройство содержит (фиг. 1) плоскую подложку 1, МО пленку 2, оптически прозрачный буферный диэлектрический слой 3, металлическую пленку 4, плоский проводник электрического тока 5. Пучок света 6 с плоскостью поляризации параллельной плоскости пленки, от независимого источника (на фиг. не показан), вводится в МО пленку 2 через ее входной торец.
s
с
b
s
с
b
m
m
На оптически прозрачной плоской подложке 1 с диэлектрической проницаемостью ε расположена МО пленка 2 с диэлектрической проницаемостью ε, поверхность которой покрыта оптически прозрачным буферным слоем 3 с диэлектрической проницаемостью ε. При этом, значения диэлектрических проницаемостей этих слоев удовлетворяют условию: ε<ε>ε. Ближний к входному торцу участок поверхности МО пленки содержит плоский проводник тока 5. Следующий за ним, по ходу света, участок поверхности МО пленки содержит металлическую пленку 4 с диэлектрической проницаемостью ε, вещественная часть которой удовлетворяет условию: Re[ε]<0. Плоский проводник тока 5 и металлическая пленка 4 отделены от поверхности МО пленки оптически прозрачным буферный диэлектрическим слоем 3. Часть оптически прозрачного буферного диэлектрического слоя 3 и лежащая на этой части металлическая пленка 4, в совокупности, образуют плазмонную структуру, которая обеспечивает резонансное возбуждение плазмон-поляритонных волн при распространении в пленке света с ТМ-типом поляризации. Оптически прозрачный буферный диэлектрический слой 3 в этой части играет роль согласователя фазовых скоростей ТМ-поляризованной световой волны и поверхностной плазмон-поляритонной волны, способствуя резонансному возбуждению последней и, тем самым, поглощению светового сигнала. Кроме того, этот слой ослабляет поглощение ТЕ-поляризованной световой волны за счет уменьшения глубины проникновения поля ТЕ-поляризованной волны в металлические слои 4 и 5, способствуя увеличению пропускной способности структуры.
F
F
Размер плоского проводника 5 в направлении распространения света определяется по формуле w=θ/θ, где θ - угол поворота плоскости поляризации, θ - удельное фарадеевское вращение. Он выбран таким потому, что при условии намагничивания пленки до насыщения плоскость поляризации проходящего под ним света, благодаря эффекту Фарадея, осуществляет поворот на 90°. Свет с такой ориентацией плоскости поляризации попадает далее на не намагниченную в направлении света часть пленки, длиной ~2 мм, снабженную плазмонной структурой. В этой структуре он затухает благодаря резонансному перетеканию энергии в возбуждаемую им плазмон-поляритонную волну, которая поглощается металлической пленкой. Ввод и вывод света из пленки может быть осуществлен с помощью оптических волокон (на фиг. 1 не показаны) снабженных коллимирующими микролинзами для согласования апертур вводимого и выводимого через торцы пленки пучков света.
Устройство работает следующим образом.
вx
вых,макс
Пучок линейно поляризованного света 6 интенсивностью I с плоскостью поляризации ориентированной параллельно плоскости МО пленки 2 (поляризация ТЕ-типа) вводится в нее через входной торец (фиг 1.). При отсутствии электрического тока в проводнике 5 МО пленка под проводником тока не намагничена в направлении распространения пучка света 6, поэтому свет остается ТЕ-поляризованным и проходит вторую половину, которая покрыта слоями 3 и 4 плазмонной структуры не поглотившись. При этом интенсивность света на выходе I будет уменьшена по сравнению с входной только на величину, определяемую пропускной способностью структуры.
вых,макс
При подаче электрического тока на проводник МО пленка под ним намагничивается параллельно направлению распространения света под воздействием горизонтальной составляющей магнитного поля, индуцированного проводником. Благодаря возникающему эффекту Фарадея плоскость поляризации света испытывает поворот, становясь ориентированной перпендикулярно плоскости МО пленки. Такая оптическая волна испытывает поглощение на пути прохождения второго участка пленки, покрытого слоями 3 и 4 плазмонной структуры и оптический сигнал на выходе модулятора становится минимальным (I). Модулируя ток в проводнике, соответственно модулируют интенсивность света на выходе МО модулятора.
Пример.
х
const
Для построения заявляемого МО модулятора интенсивности света используют следующие элементы. В качестве МО среды 2 используют, например, монокристаллическую эпитаксиальную пленку Bi-замещенного феррита-граната толщиной ~9 мкм с магнитной анизотропией типа "легкая плоскость", выращенную на подложке из кристалла гадолиний-галлиевого граната ориентации (111), толщиной ~500 мкм, с полем насыщения порядка 400 А/мм, удельным фарадеевским вращением 100 град/мм на длине волны света λ=1,55 мкм, удельными оптическими потерями ~0,3 дБ/мм (без учета потерь на отражение от торцов). Для обеспечения размагничивания пленки в направлении распространения света, перпендикулярно ему, в плоскости пленки подается постоянное поле, Н,, напряженностью 100А/м. Для обеспечения модуляции плоскости поляризации света на плоский проводник подается импульсный ток j(t). Поворот плоскости поляризации света на угол 90 градусов обеспечивается намагничиванием МО пленки до насыщения, на участке длиной 0,82 мм вдоль пути распространения света.
В качестве плазмонной структуры поляризатора используют, например, слой алюминия толщиной 100 нм с буферным подслоем из оксида алюминия, толщиной 15 нм, нанесенные на поверхность пленки методом вакуумного напыления. Длина этого участка составляет 2 мм. На такой плазмонной структуре гашение ТМ-поляризованного оптического сигнала по отношению к ТЕ-поляризованному сигналу будет составлять величину порядка 20 дБ.
В качестве плоского проводника 5 используют, например, латунную полосу толщиной 12 мкм, шириной 0,82 мм, которая может быть нанесена поверх оксида алюминия. Модуляция тока, подаваемого на проводник 5, осуществляется с помощью источника импульсов тока (на фиг. 1 не показан). При амплитуде тока 0,8 А, напряженность магнитного поля в области пленки под проводником будет достигать величины около 490 А/м. На фиг. 2 приведено рассчитанное распределение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля вдоль направления распространения света в плоскости пленки, создаваемое проводником, ширина которого равна w=0,82 мм, толщина d=12 мкм, ток j=0,8 А.
вых,макс
вых,макс
вых,макс
вых,макс
При общей длине такого модулятора интенсивности света ~3 мм, при длине поляризационного фильтра 2 мм, глубина модуляции света (I-I)/(I+I)∗100% составляет величину порядка 98% при потерях ТЕ-поляризованного сигнала ~1 дБ.
Для формирования входного пучка света, который вводится во входной торец пленки, могут использоваться коллимирующие оптические системы разного типа.
Также ввод света во входной торец МО пленки и вывод его из выходного торца может быть осуществлен с помощью оптических волокон, снабженных коллимирующими микролинзами для согласования апертур вводимого и выводимого через торцы пленки пучков света.
Преимущество предложенного МО модулятора света - компактность, монолитность конструкции и возможность изготовления его функциональных элементов методами, традиционно используемыми для создания планарных интегральных схем.