Оптический изолятор

Техническое решение относится к устройствам, обладающим эффектом Фарадея, и может быть использовано в оптических линиях связи для снижения уровня шумов лазерных источников излучения.
Известна конструкция оптического изолятора [Матэимото Т. Structure simplification of optical isolator coupled with laser diode // IEE Electron. Lett. - 1979. - Vol. 15. - P. 625-627], включающая источник магнитного поля, фарадеевский вращатель плоскости поляризации света (далее вращатель), имеющий первый и второй торцы, и оптический поляризатор, расположенный у второго торца вращателя. Поляризованный свет от лазерного диода вводится в первый торец вращателя. Вектор поляризации входного пучка света повернут относительно оси поляризатора на угол 45° в сторону обратную направлению вращения вектора поляризации света вращателем.
Вращатель, намагниченный продольным магнитным полем, обеспечивает поворот вектора поляризации прошедшего света на угол 45°. При этом угол между вектором поляризации пучка света, выходящего из второго торца вращателя, и осью поляризатора составляет 0°.
Отраженный свет, вектор поляризации которого ортогонален оси поляризатора, будет им поглощаться. А отраженный свет, вектор поляризации которого совпадает с осью поляризатора, поступит на второй торец вращателя. Затем, пройдя через вращатель, вектор поляризации отраженного света будет повернут на угол 45°, и станет ортогонален вектору поляризации входного пучка света от лазерного диода.
Исследования работы такого оптического изолятора показали, что попадание на лазерный диод пучка отраженного света, вектор поляризации которого ортогонален поляризации излучаемого пучка света, практически не ухудшает характеристики лазерного диода, поэтому в конструкции оптического изолятора поляризатор на стороне лазерного источника света можно не устанавливать, что значительно упрощает конструкцию устройства.
Недостатком рассматриваемой конструкции оптического изолятора является низкая функциональность, обусловленная тем, что он предназначен для работы на одной длине волны, а также сложность миниатюризации из-за необходимости создания значительной по объему области магнитного поля для намагничивания объемного фарадеевского вращателя.
В качестве прототипа выбрана конструкция планарного оптического изолятора [Optical ТЕ-ТМ mode conversion in double epitaxial garnet waveguide / Atsushi Shibukawa, Morio Kobayashi // Appl. Opt. - 1981. - Vol. 20, No 14. - P. 2444-2450], включающая фарадеевский вращатель, выполненный в виде плоской диэлектрической подложки, поверх которой расположена магнитооптическая активная среда в виде плоского оптического волновода, имеющего первый и второй торцы, параллельные друг другу и перпендикулярные плоскости волновода, источник магнитного поля, вектор индукции которого параллелен направлению распространения света в волноводе, а также металлическое покрытие, выполненное в виде узкой плоскопараллельной полоски металла, которая расположена поверх части поверхности волновода вдоль края его второго торца, при этом длина волновода свободного от металлического покрытия обеспечивает поворот плоскости поляризации прошедшего через него пучка света на угол 45°.
Такой оптический изолятор работает следующим образом. Пучок поляризованного света от лазерного источника, например, лазерного диода, вводится в первый торец волновода, намагниченного внешним магнитным полем так, что вектор поляризации входящего пучка света повернут на угол 45° к плоскости волновода в сторону обратную направлению вращения вектора поляризации света за счет эффекта Фарадея. При этом в волноводе, на участке свободном от металлического покрытия, за счет эффекта Фарадея осуществляется поворот вектора поляризации на угол 45°, за счет чего вектор поляризации пучка света в волноводе на границе участка с металлическим покрытием становится параллельным плоскости волновода, что соответствует состоянию ТЕ-поляризованного света. Участок волновода с металлическим покрытием выполняет функцию ТЕ-поляризатора, значительно поглощая ТМ-поляризованный свет и пропуская ТЕ-поляризованный свет с минимальным поглощением.
Отраженный свет с ТМ поляризацией, поступающий на второй торец волновода, поглощается на участке, поверх которого расположено металлическое покрытие, а отраженный свет с ТЕ поляризацией проходит этот участок волновода и далее на пути к первому торцу волновода поворачивается на 45° за счет эффекта Фарадея. При этом вектор поляризации отраженного света, выходящего из первого торца волновода, будет ортогонален вектору поляризации входящего света от лазерного источника.
Так как на лазерный источник поступает отраженный свет, вектор поляризации которого ортогонален излучаемому пучку света, то он, как отмечалось, практически не ухудшает характеристики лазерного источника.
Данная конструкция оптического изолятора способствует его миниатюризации, что позволяет использовать значительно меньшие значения напряженности магнитного поля, чем для случая применения массивного вращателя.
Недостатком данного технического решения является низкая функциональность, обусловленная тем, что оптический изолятор работает только на одной длине волны света.
Задачей технического решения является повышение функциональности устройства.
Поставленная задача решается тем, что в оптическом изоляторе света, включающем фарадеевский вращатель, выполненный в виде плоской диэлектрической подложки, поверх которой расположена магнитооптическая активная среда в виде плоского оптического волновода, имеющего первый и второй торцы, параллельные друг другу и перпендикулярные плоскости волновода, источник магнитного поля, вектор индукции которого параллелен направлению распространения света в волноводе, а также металлическое покрытие, расположенное поверх части поверхности волновода у его второго торца, отличающийся тем, что металлическое покрытие выполнено в виде усеченного клина, а угол клина ϕ определяется формулой
F1
F2
ϕ=arctg[45°×(1/θ-1/θ)/h],
F2
F1
1
2
где θ и θ - значения удельного фарадеевского вращения для света с длинами волн λ и λ, соответственно, градус/мм;
1
2
h - расстояние между осями пучков света с длинами волн λ и λ, мм,
а длина волновода L вдоль направления распространения света определяется формулой
F1
1
L=45°/θ+d,
1
1
где d - ширина металлического покрытия вдоль оси распространения пучка света с длиной волны λ.
Общими существенными признаками технического решения являются:
плоская диэлектрическая подложка, поверх которой расположена магнитооптическая активная среда,
магнитооптическая активная среда выполнена в виде плоского оптического волновода, имеющего первый и второй торцы,
торцы, параллельные друг другу и перпендикулярные плоскости волновода,
источник магнитного поля, вектор индукции которого параллелен направлению распространения света в волноводе,
металлическое покрытие, расположенное поверх части поверхности волновода у его второго торца.
Отличительными признаками заявленного решения являются
выполнение металлического покрытия в виде клина переменной ширины, одна сторона которого расположена вдоль края второго торца волновода,
угол клина ϕ определяется формулой
F1
F2
ϕ=arctg[45°×(1/θ-1/θ)/h],
F1
F2
1
2
где θ и θ - значения удельного фарадеевского вращения света с длинами волн λ и λ, соответственно, градус/мм;
1
2
h - расстояние между осями пучков света с длинами волн λ и λ, мм,
а длина волновода L вдоль направления распространения света определяется формулой
F1
1
L=45°/θ+d,
1
1
где d - ширина металлического покрытия вдоль оси распространения пучка света с длиной волны λ, мм,
причем направление излучения двух длин волн перпендикулярно первому торцу волновода.
Совокупность существенных признаков технического решения обеспечивает возможность работы заявляемого устройства как минимум на двух длинах волн.
На фиг. 1 представлено схематическое изображение оптического изолятора.
На фиг. 2 вид устройства со стороны металлического покрытия с геометрическими параметрами.
Оптический изолятор (фиг. 1) содержит подложку 1, поверх которой расположен волновод 2. Длина волновода 2 в направлении распространения света составляет L. Поверх части поверхности оптического волновода 2 у второго торца 4 расположено металлическое покрытие 5, которое выполнено в виде плоского клина переменной ширины с углом ϕ, одна сторона которого расположена вдоль края второго торца 4 волновода 2.
1
2
Пучки света 6 и 7 от независимых источников вводятся в первый торец 3 оптического волновода 2. Причем, направление излучения двух длин волн перпендикулярно первому торцу 3 волновода 2, λ<λ. При этом пучок света 6 распространяется в оптическом волноводе 2 вблизи его боковой грани с большей шириной металлического покрытия 5, а пучок света 7 - вблизи боковой грани с меньшей шириной металлического покрытия 5.
1
2
Ширина металлического покрытия 5 вдоль оси распространения пучков света 6 и 7 составляет, соответственно, d и d, а расстояние между осями пучков света 6 и 7 составляет h.
Устройство работает следующим образом.
Волновод 2 намагничен внешним магнитным полем, при этом намагничивание может осуществляться как вдоль, так и против направления распространения пучков света 6 и 7. От этого зависит направление вращения плоскости поляризации света за счет эффекта Фарадея. Например, рассмотрим такое состояние намагниченности волновода 2, при котором вращение плоскости поляризации света осуществляется по часовой стрелке.
Векторы поляризации пучков света 6 и 7 света при входе в первый торец 3 волновода 2 ориентированы под углом 45° к его поверхности. Далее они проходят по участку волновода 2, свободному от металлического покрытия. На границе участка волновода 2, где начинается металлическое покрытие 5, векторы поляризации пучков света 6 и 7 поворачиваются на 45° и становятся параллельными плоскости волновода 2, как показано на фиг. 1, и распространяются далее по участку волновода 2 с металлическим покрытием, выполняющим роль ТЕ поляризатора.
1
F1
2
F2
Одинаковая ориентация векторов поляризации пучков света 6 и 7 с различными длинами волн на входе ТЕ поляризатора достигается за счет выполнения металлического покрытия в виде плоского клина. Пучки света 6 и 7 на участке волновода 2, свободном от металлического покрытия, проходят, соответственно, пути ω=45°/θ и ω=45°/θ, разность значений которых составляет
2
1
F2
F1
ω-ω=45°/θ-45°/θ.
При расстоянии между осями пучков света 6 и 7, равном h, угол клина ϕ для металлического покрытия должен составлять
2
1
ϕ=arctg[(ω-ω)/h].
Выражая значение угла клина ϕ через значения удельного фарадеевского вращения для материала волновода 2, получим
F2
F1
ϕ=arctg[45°×(1/θ-1/θ)/h].
1
F1
1
Общую длину L волновода 2 можно определить, как сумму, например, пути ω=45°/θ прохождения пучком света 6 участка волновода 2 без металлического покрытия и пути d - на участке с металлическим покрытием
F1
1
L=45°/θ+d.
Свет с ТМ поляризацией, отраженный обратно направлению пучков света 6 и 7, поглощается на участке волновода с металлическим покрытием. Пучки света с ТЕ поляризацией, отраженные обратно направлению пучков света 6 и 7, проходят участок волновода с металлическим покрытием, и на выходе первого торца 3 волновода 2 за счет эффекта Фарадея поворачиваются на 45°, при этом их вектора поляризации ортогональны векторам поляризации пучков света, идущих от лазерных источников. В данном случае, как отмечалось, отраженный свет практически не ухудшает характеристики лазерных источников.
Пример.
1
2
Для построения заявляемого оптического изолятора можно использовать следующие элементы. В качестве магнитооптической активной среды для волновода 2 используют, например, монокристаллическую эпитаксиальную пленку Bi-замещенного феррита-граната толщиной ~8-9 мкм с магнитной анизотропией типа "легкая плоскость", выращенную на подложке из кристалла гадолиний-галлиевого граната ориентации (111), толщиной ~500 мкм. с полем насыщения ~80 А/м. с удельными оптическими потерями ~0.1-0.3 дБ/мм (без учета потерь на отражение от торцов), с удельным фарадеевским вращением 69 и 61 градус/мм для длин волн света λ=1,49 мкм и λ=1,55 мкм, соответственно.
1
2
Расчетные длины участков волновода 2 без металлического покрытия 5, на которых в рассматриваемом примере, для упомянутых длин λ и λ, осуществляется поворот вектора поляризации света на 45°, составят 0,652 и 0,738 мм, соответственно. При расстоянии между осями пучков света, например, 1 мм, расчетное значение угла клина металлического покрытия 5 составит ≈4,9 градусов.
Намагничивание волновода 2 вдоль направления распространения света, может быть осуществлено, например, с помощью миниатюрного постоянного магнита, расположенного со стороны подложки.
Для создания условий маломодового или одномодового режима распространения света оптический волновод 2 может содержать слои, выполняющие роль оболочки. Например, такой волновод может быть изготовлен в два этапа. Вначале на подложке выращивается эпитаксиальная пленка Bi-замещенного феррита-граната толщиной 4-5 мкм с более низким содержанием Bi, а затем сверху наращивается эпитаксиальная пленка с более высоким содержанием Bi так, чтобы показатель преломления верхнего слоя был, например, на ~0,5% больше, чем показатель преломления нижнего слоя. При этом в оболочечные слои можно вводить элементы, способствующие поглощению оболочечных мод света.
Торцы оптического волновода 2 могут быть получены, например, способом механической шлифовки-полировки.
Для создания ТЕ поляризатора поверх волновода 2 у его второго торца 4 располагают металлическое покрытие 5 в виде пленки, например, алюминия. Известно, что коэффициент экстинкции. определяющий затухание ТМ-моды в волноводе с металлическим покрытием по сравнению с затуханием ТЕ-моды, для алюминиевого покрытия может составлять >15 дБ/мм [G.R. Bhatt, P.V. Vivek, and В.K. Das, Attenuation of TM polarized light in metal coated SOI rib waveguides due to plasmonic absorption, PHOTONICS, Guwahati, India, Dec 12-15, 2010].
Коэффициент экстинкции можно увеличить, уменьшая поглощение ТЕ-моды, например, путем нанесения диэлектрической пленки между волноводом и металлическим покрытием. При этом в качестве материала диэлектрической пленки можно использовать, например, диоксид кремния толщиной ~0,05 мкм.
Предпочтительное значение толщины металлической пленки находится в диапазоне от ≈0,01 мкм до ≈10 мкм. Толщины менее ≈0,01 мкм являются нежелательными, так как они имеют неприемлемо низкое оптическое поглощение ТМ поляризованного света. Толщины более ≈10 мкм. хотя и не исключены, но при этом они не дают более высокого оптического поглощения, и, вместе с тем, требуют более длительного времени изготовления.
Ширина металлической пленки ТЕ поляризатора в направлении распространения света составляет, например, порядка 0,5-3 мм, в зависимости от требуемого значения ослабления ТМ поляризованного света.
1
При значении ширины металлического слоя, например, d=1,35 мм, расчетная длина оптического изолятора в направлении распространения света составит L≈2 мм.
Кристаллы лазерных диодов могут быть интегрированы с заявляемым оптическим изолятором в одном устройстве. При установке на общее основание с изолятором лазерные кристаллы ориентируют так, чтобы вектор поляризации излучаемого света был повернут к плоскости волновода 2 на угол 45° в сторону, противоположную направлению вращения плоскости поляризации света в волноводе.
Также для ввода света от лазерных источников в торец волновода 2 могут быть применены коллимирующие устройства различной конструкции.
Преимущество предложенного МО изолятора света - более высокая функциональность, обусловленная тем, что он может работать на нескольких длинах волн.