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 на одной длине волны света.
Задачей технического решения является повышение функциональности устройства.
Поставленная задача решается тем, что МО в 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 выполнен в виде клина переменной толщины, причем, толщина клина изменяется от 5 до 30 нм относительно боковых граней волновода поперечно направлению распространения света.
1
2
1
2
1
2
При выполнении буферного слоя в виде клина переменной толщины, толщина клина изменяется от 5 до 30 нм относительно боковых граней волновода поперечно направлению распространения света, обеспечивается возможность работы МО модулятора, как минимум на двух длинах волн, что повышает функциональность заявляемого устройства. Это достигается за счет ввода в оптический волновод 2, как минимум, двух пучков света. Первый и второй пучки света имеют длины волн λ и λ, соответственно, причем λ<λ. Первый пучок света с меньшей длиной волны распространяется в оптическом волноводе вблизи его боковой грани, с минимальной толщиной буферного покрытия, а второй пучок света с большей длиной волны вблизи его боковой грани, с максимальной толщиной буферного покрытия. При этом толщина буферного слоя в месте распространения первого пучка света соответствует максимуму плазмон-поляритонного резонанса для длины волны λ, а в месте распространения второго пучка света 7 - максимуму плазмон-поляритонного резонанса для длины волны λ.
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 в виде клина переменной толщины, причем, толщина клина изменяется от 5 до 30 нм относительно боковых граней волновода поперечно направлению распространения света.
1
2
Совокупность существенных признаков технического решения обеспечивает возможность работы заявляемого устройства, как минимум, на двух длинах волн. При этом первый пучок света с меньшей длиной волны λ распространяется в оптическом волноводе вблизи его боковой грани с минимальной толщиной буферного покрытия, а второй пучок света с большей длиной волны λ распространяется в оптическом волноводе вблизи его боковой грани с максимальной толщиной буферного покрытия.
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, выполненный в виде клина переменной толщины, металлическую пленку 4, плоский проводник электрического тока 5, первый и второй пучки света 6 и 7, соответственно, от независимых источников (на фиг. не показаны).
s
с
На оптически прозрачной плоской подложке 1 с диэлектрической проницаемостью ε расположен оптический волновод 2 с диэлектрической проницаемостью ε. Входные пучки света 6 и 7 от независимых источников вводятся во входной торец оптического волновода 2.
Пучок света 6 от независимого источника вводится во входной торец оптического волновода 2. При этом пучки света 6 и 7 имеют плоскость поляризации ориентированную параллельно (ТЕ-поляризация) относительно плоскости оптического волновода 2.
b
Поверхность оптического волновода 2 покрыта оптически прозрачным буферным слоем 3 с диэлектрической проницаемостью ε.
1
2
Первый пучок света 6 с меньшей длиной волны λ распространяется в оптическом волноводе 2 вблизи его боковой грани с минимальной толщиной буферного покрытия 3. Второй пучок света 7 с большей длиной волны λ распространяется в оптическом волноводе 2 вблизи его боковой грани с максимальной толщиной буферного покрытия.
s
с
b
m
m
Значения диэлектрических проницаемостей упомянутых слоев удовлетворяют условию: ε<ε>ε. Ближний к входному торцу первый участок поверхности оптического волновода 2 содержит плоский проводник тока 5, являющийся источником магнитного поля. Следующий за ним, по ходу света, второй участок поверхности оптического волновода 2 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 оптического волновода 2 оптически прозрачным буферным 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 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, этот буферный 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.
При распространении света на втором участке оптического волновода 2 резонансное возбуждение плазмон-поляритонных волн возникает для определенной длины волны света при соответствующей толщине буферного слоя. При этом ТМ-поляризованная световая волна будет максимально гаситься, а ТЕ-поляризованная световая волна будет минимально ослабляться, а коэффициент модуляции, соответственно, будет максимальным.
1
2
Толщина буферного слоя 3 в месте распространения первого пучка света 6 соответствует максимуму плазмон-поляритонного резонанса для длины волны λ, а в месте распространения второго пучка света 7 - максимуму плазмон-поляритонного резонанса для длины волны λ.
F
F
Размер плоского проводника 5 в направлении распространения света определяется по формуле w=θ/θ, где 9 - угол поворота плоскости поляризации, θ - удельное фарадеевское вращение. При намагничивания оптического волновода 2 током, протекающим через проводник 5, плоскость поляризации проходящего под ним света, за счет эффекта Фарадея, осуществляет поворот на 90°. То есть ТЕ-поляризованная световая волна на входе в оптический волновод 2 будет преобразована в ТМ-поляризованную световую волну на выходе первого участка, и соответственно, на входе второго участка оптического волновода 2. Далее свет с такой ориентацией плоскости поляризации попадает на не намагниченную в направлении света вторую часть оптического волновода 2 длиной ~2 мм, снабженного плазмонной структурой, и затухает благодаря резонансному перетеканию энергии в возбуждаемую им плазмон-поляритонную волну, которая поглощается металлической пленкой.
Устройство работает следующим образом.
1
Первый пучок света 6 с длиной волны λ от независимого источника вводится во входной торец оптического волновода 2 вблизи его боковой грани, с минимальной толщиной буферного покрытия 3 (фиг. 1). Далее первый пучок света 6 проходит через первую и вторую часть оптического волновода 2.
вых,макс
При отсутствии электрического тока в проводнике 5 оптический волновод 2 под проводником тока не намагничен в направлении распространения света, поэтому свет остается ТЕ-поляризованным и проходит вторую часть оптического волновода 2, 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,мин
При подаче электрического тока на проводник 5 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 становится ориентированной перпендикулярно плоскости оптического волновода 2. Таким образом, на втором участке оптического волновода 2 распространяется ТМ поляризованная волна света. Такая оптическая волна испытывает поглощение на пути прохождения второго участка оптического волновода 2, покрытого слоями 3 и 4 плазмонной структуры, и оптический сигнал на выходе модулятора становится минимальным (I). Модулируя по интенсивности ток в проводнике, соответственно, модулируют интенсивность света на выходе МО модулятора.
2
Второй пучок света 7 с длиной волны λ от независимого источника вводится во входной торец оптического волновода 2 вблизи его боковой грани с максимальной толщиной буферного покрытия 3 (фиг. 1). Далее прохождение второго пучка света 7 через МО модулятор аналогично прохождению первого пучка света 6.
3
1
3
2
3
При необходимости можно увеличить число рабочих длин волн заявляемого МО модулятора. Например, трех длин волн, пучок света с длиной волны λ можно вводить в центральную часть оптического волновода 2. При этом значения рабочих длин волн должны отвечать условию λ<λ<λ, а толщина буферного покрытия в центре оптического волновода 2 должна обеспечивать максимум плазмон-поляритонного резонанса для длины волны λ.
Пример.
x 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, H, 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, на участке длиной 0,82 мм вдоль пути распространения света.
В качестве плазмонной структуры поляризатора используют, например, слой алюминия толщиной 100 нм с буферным слоем из оксида алюминия в виде клина переменной толщины, причем значение толщины клина изменяется в направлении, поперечном направлению распространения света, и составляет от 5 до 30 нм для диапазона рабочих длин волн света 1310-1550 нм.
вых,макс
вых,мин
Правильность расположения первого и второго пучков света 6 и 7 в оптическом волноводе 2, например, при настройке МО модулятора осуществляют, например, путем контроля интенсивности света на выходе оптического волновода 2 при включенном и выключенном магнитном поле. При этом фиксируют положение первого и второго пучков света 6 и 7 в местах максимальной относительной разницы сигналов I и I, для каждого из пучков света 6 и 7, что соответствует максимальному значению коэффициента модуляции для используемых длин волн света.
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.
вых,макс
вых,мин
вых,макс
вых,мин
При общей длине модулятора интенсивности света ~3 мм, при длине второго участка оптического волновода 2 мм, выполняющего роль поляризационного фильтра, глубина модуляции света (I-I)/(I+I)*100% составляет величину не хуже 98% при потерях ТЕ-поляризованного сигнала ~1 дБ.
Ввод света во входной торец оптического волновода 2 и вывод света его 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.
Преимущество предложенного МО модулятора света - более высокая функциональность.