Оптический изолятор на основе магнитофотонного микрорезонатора

Технический результат - повышение потребительских свойств за счет снижения массогабаритных характеристик магнитоактивного элемента и всей магнитной системы в целом.
Известны многочисленные варианты магнитооптических вентилей, например, (RU 2319186, RU 2234114, РФ 2227927), работа которых основана на магнитооптическом эффекте Фарадея, заключающемся в невзаимном повороте плоскости поляризации оптического излучения в продольном магнитном поле. В большинстве случаев магнитооптический переключающий элемент с вращателем плоскости поляризации на эффекте Фарадея выполнен на магнитном одноосном кристалле.
Недостаток таких вентилей заключается в низкой лучевой стойкости одноосных кристаллов. При воздействии на оптический вентиль оптического излучения большой мощности магнитооптический ротатор (вращатель плоскости поляризации) нагревается, при этом уменьшается постоянная Верде (удельная вращательная способность), что приводит к снижению коэффициента пропускания оптического вентиля в прямом направлении и повышению коэффициента пропускания в обратном направлении.
Близким к предлагаемой полезной модели является устройство «Магнитооптофотонный кристалл на основе мультислойной структуры с большим фарадеевским вращением в видимом диапазоне» (патент US 20090219602 А1), которое представляет собой многослойную ФК структуру на основе магнитных и немагнитных слоев. Структура содержит несколько нарушений периодичности (дефектов), состоящих в изменении порядка следования слоев. Варьируя количество таких дефектов и число магнитных слоев между дефектами, авторы получают структуру, способную на длине волны  вращать плоскость поляризации до . Используемый магнитофотонный кристалл содержит большое число магнитных слоев, что с учетом их значительного поглощения в оптической области существенно снижает проходящий через структуру сигнал.
Основное отличие предлагаемой полезной модели от указанного устройства и других раннее предлагавшихся устройств заключается в использовании ФК микрорезонатора, состоящего из двух немагнитных диэлектрических ФК зеркал, между которыми помещен тонкий слой магнитоактивного диэлектрика, толщина которого кратна половине длины волны распространяющегося в среде излучения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является описанный в (Birch K.P. A compact optical isolator. - Optics Communications, 1982, v. 43. №2, p. 79-84.) оптический вентиль, содержащий последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор (вращатель плоскости поляризации) и анализатор. Магнитооптический ротатор расположен внутри магнита трубчатой формы с осевой намагниченностью. Таким образом, магнитооптический ротатор помещен в постоянное продольное магнитное поле. Конструкция магнитной системы, величина создаваемого магнитного поля магнитной системы и материал магнитооптического ротатора выбираются таким образом, чтобы угол поворота плоскости поляризации оптического излучения составлял 45°. Недостаток известного технического решения заключается в низких потребительских свойствах, обусловленных большими массогабаритными характеристиками магнитной системы с осевой намагниченностью.
В патенте SU 1457624 предлагается устройство «Внутри-резонаторный магнитооптический модулятор», которое представляет собой магнитооптическую ячейку, внутри которой создается управляющее продольное магнитное поле и в которое помещен магнитоактивный элемент, имеющий форму диска из монокристалла . При толщине диска  мм в состоянии магнитного насыщения достигался полный угол поворота .
Отметим, что для получения достаточно больших углов поворота плоскости поляризации используют магнитоактивные элементы большой толщины, что существенно снижает их оптическую прозрачность. Действительно, согласно закону Бугера , где  - коэффициент поглощения, интенсивность прошедшего через магнитоактивный элемент излучения существенно убывает по мере увеличения его толщины .
Указанные недостатки устраняются путем реализации в предлагаемой полезной модели оптического изолятора оптического излучения за счет использования фотонно-кристаллического микрорезонатора типа интерферометра Фабри-Перо, состоящего из первого диэлектрического брэгговского зеркала с прямым чередованием слоев, слоя феррита с высокой магнитооптической добротностью и толщиной, кратной половине длины волны в среде, и второго диэлектрического брэгговского зеркала с инвертированным чередованием слоев.
Основная цель полезной модели - обеспечить поворот плоскости поляризации оптического сигнала, идущего от лазерного источника, на угол в 45°.
Технический результат - повышение оптической прозрачности, увеличение срока службы и снижения массогабаритных характеристик магнитоактивного элемента и всего устройства в целом.
Оптический изолятор на основе магнитофотонного кристалла является устройством для достижения угла поворота плоскости поляризации в 45° линейно-поляризованного излучения, распространяющегося от лазерного источника 1 в прямом направлении представляет собой магнитооптическую ячейку, состоящую из поляризатора - 2, соленоида - 3, магнитоактивного элемента - 4 и анализатора - 5 (фиг. 1).
В качестве магнитоактивного элемента оптического изолятора используется тонкопленочная симметричная микрорезонаторная структура типа интерферометра Фабри-Перо, между двумя диэлектрическими брэгговскими зеркалами которого находится слой феррита с высокой магнитооптической добротностью. Симметричная резонаторная структура предполагает наличие инверсии, которая заключается в изменении порядка следования диэлектрических слоев в зеркалах: если во входном зеркале слои сформированы в порядке 1-2-1-2…1-2, то в выходном зеркале порядок слоев инвертирован, т.е. 2-1-2-1…2-1. При этом матрица пропускания, связывающая волновое поле на выходе из структуры с полем на входе имеет вид . Наряду с инверсией, структура содержит магнитоактивный слой, который внедрен между ФК-зеркалами (фиг. 2).
Матрица пропускания всей структуры имеет вид , где знаки «» относятся к волнам с правой и левой круговой поляризациями. Комплексные амплитудные коэффициенты пропускания для волны соответствующей поляризации определяются выражениями
где  - элементы передаточной матрицы .
Внешнее магнитное поле приводит к насыщению намагниченность слоя феррита, ориентируя его магнитный момент вдоль оси структуры, т.е. вдоль или против направления распространения оптического излучения в структуре при прямом и обратном проходах. В результате совместного проявления эффекта Фарадея и многолучевой интерференции на выходе из структуры получаем величины полного угла поворота плоскости поляризации на два порядка большие соответствующих величин для изолированной пленки такого же феррита. Полный угол поворота плоскости поляризации зависит от толщины магнитоактивного слоя и числа периодов в ФК зеркалах, нелинейно увеличиваясь с их ростом.
Отличительная особенность предлагаемой модели состоит в выборе толщины слоя феррита и толщины диэлектрических слоев в брэгговских зеркалах. Толщина слоя феррита выбирается кратной половине длины волны излучения в среде , где  - показатель преломления феррита. Толщины слоев в диэлектрических зеркалах выбирались равными четверти длины волны в каждом из материалов:  и , где показатели преломления (ПП) . При таких толщинах максимальны значения углов поворота плоскости поляризации и интенсивности проходящего излучения.
Нарушение периодической структуры приводит к появлению в фотонной запрещенной области спектра разрешенной минизоны. На фиг. 3 слева представлена частотная зависимость модуля коэффициентов прохождения  для волн с циркулярными поляризациями в области первой фотонной запрещенной зоны. В центре фотонной запрещенной зоны имеются узкие разрешенные минизоны, на центральной частоте которых коэффициенты  практически равны единице.
В отсутствие магнитного слоя (при ) спектры право- и левополяризованных волн совпадают и узкая вырожденная минизона располагается строго в центре зоны. С появлением магнитного слоя и увеличением его толщины вырождение снимается, что ведет к разделению спектральных линий  и обеспечивает вращение плоскости поляризации. В выбранном масштабе разделение спектральных линий оказывается в пределах графической точности и на рисунке не проявляется. При достаточном разрешении по частоте разделение спектров проявляется и спектральные линии циркулярных волн с ортогональными поляризациями в запрещенной зоне разделяются (см. рисунок справа).
3
5
12
2
3
5
12
3
5
12
В указанном оптическом изоляторе диэлектрические слои ФК-зеркал выполнены на основе гадолиний-галлиевого граната (GdGaO - слои ) с  и двуокиси кремния (SiO - слои ) с . Материалом магнитного слоя является железо-иттриевый феррит-гранат (YFeO - слой ), для которого диагональная и недиагональная компоненты тензора диэлектрической проницаемости имеют вид:  и . Параметры феррита YFeOна двух длинах волн приведены в таблице:
<maths num="27"><img file="00000030.TIF" he="7" wi="15" img-content="undefined" img-format="TIF" /></maths>
<maths num="28"><img file="00000031.TIF" he="6" wi="5" img-content="undefined" img-format="TIF" /></maths>
<maths num="29"><img file="00000032.TIF" he="6" wi="6" img-content="undefined" img-format="TIF" /></maths>
<maths num="30"><img file="00000033.TIF" he="7" wi="5" img-content="undefined" img-format="TIF" /></maths>
<maths num="31"><img file="00000034.TIF" he="7" wi="8" img-content="undefined" img-format="TIF" /></maths>, <maths num="32"><img file="00000035.TIF" he="5" wi="15" img-content="undefined" img-format="TIF" /></maths>
<maths num="33"><img file="00000036.TIF" he="4" wi="4" img-content="undefined" img-format="TIF" /></maths>, <maths num="34"><img file="00000037.TIF" he="5" wi="11" img-content="undefined" img-format="TIF" /></maths>
1.15
4.65
<maths num="35"><img file="00000038.TIF" he="6" wi="20" img-content="undefined" img-format="TIF" /></maths>
<maths num="36"><img file="00000039.TIF" he="6" wi="20" img-content="undefined" img-format="TIF" /></maths>
245
0.1
1.3
4.84
<maths num="37"><img file="00000040.TIF" he="6" wi="20" img-content="undefined" img-format="TIF" /></maths>
<maths num="38"><img file="00000041.TIF" he="6" wi="20" img-content="undefined" img-format="TIF" /></maths>
210
0.3
На выбранных частотах показатели преломления (ПП) диэлектрических слоев в брэгговских зеркалах:  и . Толщины соответствующих слоев выбирались равными четверти длины волны в материале: ,  для  и ,  для . Именно при такой толщине слоев отражение от ФК-зеркал максимально. Толщина магнитного слоя может меняться, но должна быть равной , где  для  и  для . Для намагниченного ферритового слоя в геометрии продольного распространения комплексные ПП двух собственных право- и левополяризованной циркулярных волн определяются как . Так как различие между величинами  и  мало, то под ПП ферритового слоя далее будем понимать вещественную часть полусуммы величин  и , а именно . Коэффициент поглощения ферритового слоя связан с мнимой частью ПП, т.е. .
В случае падения на подобную ФК-структуру линейно-поляризованной волны для прошедшей волны имеет место поворот плоскости поляризации (эффект Фарадея) с полным углом поворота
,
где  - фазы комплексных амплитудных коэффициентов прохождения волн правой и левой круговой поляризации .
На фиг. 4 представлена зависимость полного угла поворота плоскости поляризации  проходящего через структуру излучения и максимума коэффициента прохождения  на частоте дефектной моды  от относительной толщины магнитного слоя ,  на длине волны излучения  мкм (зеленые и синие линии) для структуры , где . Видно, что с ростом как толщины магнитного слоя, так и числа периодов в ФК-зеркалах полный угол поворота плоскости поляризации увеличивается.
В результате многократного прохождения волны через слой феррита полный угол  намного превышает угол поворота плоскости поляризации при однократном прохождении изолированного слоя той же толщины.
К увеличению угла фарадеевского вращения в предлагаемой модели приводит выбор толщины магнитоактивного слоя, кратной длине полуволны в среде, а также симметричное увеличение количества периодов в диэлектрических фотонно-кристаллических зеркалах. Существенным также является порядок следования слоев с большим и меньшим показателем преломления. В частности, больший угол фарадеевского вращения отвечает структуре, у которой магнитоактивный слой окружен слоями с меньшей диэлектрической проницаемостью. Так как магнитооптический параметр магнитоактивного слоя является функцией внешнего магнитного поля, то с его помощью можно осуществлять настройку устройства на необходимый угол поворота, а также менять знак угла поворота на противоположный.
Таким образом, реализован оптический изолятор на основе магнитофотонного кристалла, в котором за счет использования микрорезонаторной схемы и магнитоактивного слоя толщиной, кратной половине длины волны, достигнуто вращение плоскости поляризации в 45° при повышенной оптической прозрачности, а также за счет использования монолитной твердотельной многослойной конструкции магнитооптической ячейки увеличен срок службы и снижены массогабаритных характеристик магнитоактивного элемента и всего устройства в целом.