МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР ИНТЕНСИВНОСТИ СВЕТА

Техническое решение относится к магнитооптическим (МО) устройствам управления оптическим излучением и может быть использовано для модуляции интенсивности света в волоконно-оптических системах связи и обработки информации.
Известно устройство «Магнитооптический модулятор интенсивности света» (патент на полезную модель RU 161388), включающий плоскую диэлектрическую подложку, на которой расположена магнитооптическая активная среда в виде плоского оптического волновода, на поверхность которого нанесен буферный диэлектрический слой наноразмерной толщины, источник магнитного поля в виде плоского проводника, который расположен поперечно направлению света поверх буферного слоя на первой с входного торца части оптического волновода, металлическую пленку расположенную поверх буферного слоя на второй части оптического волновода.
Недостатком данного технического решения является низкая функциональность, обусловленная тем, что модулятор работает только при условии ввода во входной торец оптического плоского волновода ТЕ-поляризованного света.
Задачей технического решения является повышение функциональности устройства.
Поставленная задача решается тем, что в МО модуляторе света, включающим плоскую диэлектрическую подложку, на которой расположена магнитооптическая активная среда в виде плоского оптического волновода, на поверхность которого нанесен буферный диэлектрический слой наноразмерной толщины, источник магнитного поля в виде плоского проводника, расположенный поперечно направлению света поверх буферного слоя на первой с входного торца части оптического волновода, металлическую пленку расположенную поверх буферного слоя на второй части оптического волновода, а буферный диэлектрический слой, расположенный на первой части оптического волновода выполнен толщиной 900-1650 нм.
Общими существенными признаками технического решения являются: плоская диэлектрическая подложка, на которой расположена магнитооптическая активная среда в виде плоского оптического волновода, на поверхность волновода нанесен буферный диэлектрический слой наноразмерной толщины, источник магнитного поля в виде плоского проводника, расположенный поперечно направлению света поверх буферного слоя на первой с входного торца части оптического волновода, металлическую пленку расположенную поверх буферного слоя на второй части оптического волновода.
Отличительным признаком заявленного решения является выполнение толщины диэлектрического буферного слоя, расположенного на первом участке оптического волновода, размером 900-1650 нм.
Совокупность существенных признаков технического решения обеспечивает возможность работы заявляемого устройства при вводе во входной торец плоского оптического волновода как ТЕ-поляризованного, так и ТМ-поляризованного света.
На фиг. 1 представлено схематическое изображение МО модулятора интенсивности света.
Устройство содержит (фиг. 1) плоскую подложку 1, оптический волновод 2, оптически прозрачный буферный диэлектрический слой 3, плоский металлический проводник 4, расположенный на диэлектрическом слое 3, металлическую пленку 5, расположенную на диэлектрическом слое 3, пучок света 6 от независимого источника (на фиг. не показан) Толщина буферного диэлектрического слоя на первом участке волновода составляет 900-1650 нм, а на втором участке волновода 3-50 нм.
Пучок света 6 может быть, как ТЕ-поляризованным, так и ТМ-поляризованным по отношению к плоскости оптического волновода 2.
s
c
b
s
c
b
m
m
На оптически прозрачной плоской подложке 1 с диэлектрической проницаемостью ε расположен оптический волновод 2 с диэлектрической проницаемостью ε, поверхность которого покрыта оптически прозрачными буферным слоем 3 с диэлектрической проницаемостью ε. При этом значения диэлектрических проницаемостей этих слоев удовлетворяют условию: ε<ε>ε. Ближний к входному торцу первый участок поверхности оптического волновода 2 содержит плоский проводник тока 4, являющийся источником магнитно поля. Следующий за ним, по ходу света, второй участок поверхности оптического волновода 2 содержит металлическую пленку 5. Проводник 4 и пленка 5 имеют диэлектрическую проницаемость ε, вещественная часть которой удовлетворяет условию: Re[ε]<0. Проводник 4 и пленка 5 отделены от поверхности оптического волновода 2 оптически прозрачными буферным диэлектрическим слоем 3 на первом участке оптического волновода 2 буферный диэлектрический слой 3 имеет толщину 900-1650 нм, на втором 3-50 нм.
Буферный слой 3 и лежащая на второй части металлическая пленка 5 в совокупности образуют плазмонную структуру, которая обеспечивает резонансное возбуждение плазмон-поляритонных волн при распространении в оптическом волноводе 2 света с ТМ-типом поляризации. Оптически прозрачный буферный диэлектрический слой 3 в этой части согласует фазовые скорости ТМ-поляризованной световой волны и поверхностной плазмон-поляритонной волны, способствуя резонансному возбуждению последней и, тем самым, поглощению светового сигнала. Кроме того, буферный слой 3 ослабляет поглощение ТЕ-поляризованной световой волны за счет уменьшения глубины проникновения поля ТЕ-поляризованной волны в металлический слой пленки 5, способствуя увеличению пропускной способности структуры.
Устройство работает следующим образом.
Пучок света 6 от независимого источника вводится во входной торец оптического волновода 2. При этом пучок света 6 имеет плоскость поляризации ориентированную либо параллельно (те-поляризация), либо перпендикулярно (ТМ-поляризация) относительно плоскости оптического волновода 2.
вых,макс
вых,мин
При отсутствии электрического тока в проводнике 4 оптический волновод 2 под проводником тока не намагничен в направлении распространения света, поэтому во вторую часть оптического волновода 2 проходит свет, поляризация которого остается такой же, как на входе в оптический волновод 2. Далее поляризованный свет проходит вторую часть оптического волновода 2, которая покрыта буферным слоем 3 и металлической пленкой 5, образующими плазмонную структуру. ТЕ-поляризованная световая волна проходит второй участок оптического волновода 2 не поглотившись, при этом интенсивность света на выходе I будет уменьшена по сравнению с входной только на величину, определяемую пропускной способностью структуры. ТМ-поляризованная световая волна испытывает поглощение на пути прохождения второго участка оптического волновода 2, покрытого упомянутыми слоями 3 и 5 плазмонной структуры, и оптический сигнал на выходе модулятора становится минимальным (I)
При подаче электрического тока на проводник 4 оптический волновод 2 под ним намагничивается вдоль направления распространения света под воздействием горизонтальной составляющей магнитного поля, индуцированного проводником. При этом за счет эффекта Фарадея плоскость поляризации света испытывает поворот на 90° и, соответственно, входная ТЕ-поляризованная световая волна преобразуется и на выходе первого участка оптического волновода 2 и, соответственно, на входе второго участка оптического волновода 2 в ТМ-поляризованную световую волну и становится ориентированной перпендикулярно плоскости оптического волновода 2, а входная ТЕ-поляризованная световая волна, соответственно, преобразуется в ТМ-поляризованную световую волну и становится ориентированной параллельно плоскости оптического волновода 2. Прохождение через второй участок оптического волновода 2 ТЕ-поляризованного и ТМ-поляризованного света, аналогично, как для случая с выключенным магнитным полем.
вых,макс
вых,мин
вых,мин
вых,макс
Таким образом, при выключенном магнитном поле для входной ТЕ поляризованной световой волны на выходе оптического волновода 2 будет присутствовать сигнал с интенсивностью I, а для входной ТМ поляризованной световой волны на выходе оптического волновода 2 будет присутствовать сигнал с интенсивностью I, а при включенном магнитном поле для входной ТЕ поляризованной световой волны на выходе оптического волновода 2 будет присутствовать сигнал с интенсивностью I, а для входной ТМ поляризованной световой волны на выходе оптического волновода 2 будет присутствовать сигнал с интенсивностью I.
Модулируя по интенсивности ток в проводнике, соответственно, модулируют интенсивность света на выходе МО модулятора.
Таким образом, обеспечивается равнозначная модуляция оптического сигнала, как для случая ввода в оптический волновод 2 света с ТЕ-поляризацией, так и для случая с ввода света с ТМ поляризацией относительно плоскости оптического волновода, что повышает функциональность заявляемого устройства.
При вводе в оптический волновод 2 света со смешанной поляризацией, которая представляет собой комбинацию ТЕ и ТМ-поляризованных световых волн, при выключенном магнитном поле на выходе оптического волновода 2 будет выделяться составляющая с ТЕ-поляризацией, а при включенном магнитном поле - составляющая с ТМ-поляризацией. Таким образом, заявляемое устройство может быть использовано в качестве детектора для выделения из светового потока составляющей с нужной поляризацией, что так же повышает функциональность заявляемого устройства. При этом управление выделением нужной составляющей поляризации света осуществляется электрическим сигналом и не требует каких-либо механических поворотов, как, например, для случая использования обычного поляризатора.
Пример.
х const,
Для построения заявляемого МО модулятора интенсивности света используют следующие элементы. В качестве оптического волновода 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/м, удельным фарадеевским вращением 110 град/мм на длине волны света λ=1,55 мкм, удельными оптическими потерями ~0,1-0,3 дБ/мм (без учета потерь на отражение от торцов). Для обеспечения размагничивания МО пленки в направлении распространения света, перпендикулярно ему, в плоскости пленки подается постоянное поле, Н, напряженностью ~100 А/м. Для обеспечения модуляции плоскости поляризации света на плоский проводник подается импульсный ток j(t). Поворот плоскости поляризации света на угол 90° обеспечивается намагничиванием МО пленки до насыщения, на участке длиной 0,82 мм вдоль пути распространения света.
В качестве диэлектрического буферного слоя 3 используют, например, оксид алюминия. При этом, если на втором участке оптического волновода толщина буферного слоя составляет 5-30 нм, что необходимо для обеспечения условий плазмон-поляритонного резонанса, то на втором участке толщина буферного слоя составляет 900-1650 нм, что обуславливает практически полное отсутствие или несущественное влияние плазмон-поляритонного резонанса на проходящий свет.
В качестве плоского проводника 4 используют, например, латунную полосу толщиной 12 мкм, шириной 0,82 мм, которая может быть нанесена поверх оксида алюминия. Модуляция тока, подаваемого на проводник 4, 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 (патент на полезную модель RU 161388).
вых,макс
вых,мин
вых,макс
вых,мин
вых,макс
При общей длине модулятора интенсивности света ~3 мм, при длине второго участка оптического волновода равной 2 мм, выполняющего роль поляризационного фильтра, глубина модуляции света (I-I)/(I+I)*100% составляет величину не хуже 98%, как для ТЕ-поляризованного, так и для ТМ-поляризованного входного света, при потерях сигнала I ~1 дБ.
Также ввод света во входной торец оптического волновода 2 и вывод света из его выходного торца может быть осуществлен с помощью оптических волокон, снабженных, например, коллимирующими микролинзами для согласования апертур вводимого и выводимого через торцы оптического волновода пучков света.
Известно, что при полном внутреннем отражении света на границе двух сред свет ненамного проникает из первой более преломляющей среды во вторую, менее преломляющую среду. При этом во второй преломляющей среде сколько-нибудь заметное поле захватывает всего лишь тонкий слой с толщиной, сравнимой с длиной световой волны. (Оптика / Ландсберг Г.С. // Изд. «Наука» - 1976. - С. 487). То есть, глубина проникновения света во вторую среду при полном внутреннем отражении порядка длины волны падающего света. Следовательно, при исполнении буферного слоя 3 на первом участке оптического волновода 2 толщиной размером равным или более длины волны света, падающего на границу раздела оптический волновод 2 - буферный слой 3, условия для возникновения плазмон-поляритонного резонанса будут либо отсутствовать, либо их влияние на затухание проходящего по первому участку оптического волновода 2 ТМ-поляризованного света будут ничтожны.
F
F
Размер плоского проводника 4 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 оптического волновода 2 до насыщения, плоскость поляризации проходящего под ним света, за счет эффекта Фарадея, осуществляет поворот на 90°.
Преимущество предложенного МО модулятора света - более высокая функциональность.