Магнитооптический сенсор

Техническое решение относится к области приборостроения и может быть использовано при создании магнитооптических сенсоров (МО).
Известно устройство «Магнитооптический модулятор интенсивности света» (патент на полезную модель RU 167200 U1), включающий плоскую диэлектрическую подложку, на которой расположена магнитооптически 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, причем буферный диэлектрический слой, расположенный на поверхности первой части оптического волновода, выполнен толщиной 900-1650 нм.
Недостатком данного технического решения является, недостаточная чувствительность к изменениям оптических характеристик окружающей среды.
Задачей технического решения является повышение чувствительности и расширение функциональных возможностей устройства для использования в качестве сенсора.
Поставленная задача решается тем, что магнитооптический сенсор, включающий плоскую диэлектрическую подложку, на которой расположена магнитооптически активная среда в виде плоского оптического волновода, буферный диэлектрический слой наноразмерной толщины, нанесенный на поверхность волновода, источник магнитного поля в виде металлического плоского проводника, расположенного поверх буферного слоя поперечно направлению распространения света, причем толщина буферного слоя на участке под металлическим проводником составляет 900-1650 нм, металлическую пленку, расположенную поверх буферного слоя на участке между выходным торцом оптического волновода и источником магнитного поля, дополнительно содержит на участке оптического волновода, расположенном между его входным торцом и источником магнитного поля, вторую металлическую пленку поверх диэлектрического буферного слоя наноразмерной толщины, что обеспечивает повышение чувствительности и расширение функциональных возможностей устройства.
Общими существенными признаками технического решения являются: плоская диэлектрическая подложка, магнитооптически активная среда в виде плоского оптического волновода, расположенного поверх подложки, поляризатор, включающий буферный диэлектрический слой наноразмерной толщины и нанесенную поверх него металлическую пленку, расположенные на участке волновода между его выходным торцом и источником магнитного поля, источник магнитного поля, включающий нанесенный на поверхность волновода буферный диэлектрический слой толщиной 900-1650 нм, и плоский металлический проводник, расположенный поверх буферного слоя поперек направлению распространения света.
Отличительным признаком заявленного решения является выполнение на участке оптического волновода, расположенном между его входным торцом и источником магнитного поля, сенсорного участка, включающего буферный слой наноразмерной толщины, расположенный на поверхности волновода и вторую металлическую пленку, расположенную поверх этого буферного слоя.
Совокупность существенных признаков технического решения обеспечивает возможность работы заявляемого устройства в качестве волноводного фазочувствительного плазмонного сенсора, за счет чего повышается функциональность заявляемого технического решения.
На фиг. 1 представлено схематическое изображение МО сенсора.
Устройство содержит плоскую диэлектрическую подложку 1, магнитооптический волновод 2, имеющий входной торец 3 и выходной торец 4, оптически прозрачный буферный диэлектрический слой 5, расположенный поверх волновода 2 на участке 6 сенсора, металлическую пленку 7, расположенную на диэлектрическом слое 5, оптически прозрачный буферный диэлектрический слой 8, расположенный поверх волновода 2 на участке 9 сенсора, плоский металлический проводник 10, расположенный на диэлектрическом слое 8, оптически прозрачный буферный диэлектрический слой 11, расположенный поверх волновода 2 на участке 12 сенсора, металлическую пленку 13, расположенную на диэлектрическом слое 11.
s
f
b
s
f
b
На оптически прозрачной плоской подложке 1 с диэлектрической проницаемостью ε расположен магнитооптический волновод 2 с диэлектрической проницаемостью ε, на поверхности которого на участках 6, 9 и 12 сенсора расположены оптически прозрачные буферные слои 5, 8 и 11, соответственно, с диэлектрической проницаемостью ε. При этом значения диэлектрических проницаемостей этих слоев удовлетворяют условию: ε<ε>ε.
f
s
b
s
f
b
Показатели преломления n волновода 2, n подложки 1 и n буферных слоев 5, 8 и 11 удовлетворяют соотношению n<n>n, что обеспечивает распространение света в волноводе 2 за счет полного внутреннего отражения на границах раздела с прилегающими слоями подложки 1 и буферных слоев 5, 8 и 11.
m
m
Металлические пленки 7 и 13, расположенные на буферных слоях 5 и 11, соответственно, имеют диэлектрическую проницаемость ε, вещественная часть которой удовлетворяет условию: Re[ε]<0.
Буферный слой 5 и расположенная на нем металлическая пленка 7 в совокупности образуют плазмонную структуру, которая обеспечивает резонансное возбуждение плазмон-поляритонных волн при распространении в волноводе 2 света с ТМ-типом поляризации. Оптически прозрачный буферный диэлектрический слой 5 в этой части согласует фазовые скорости ТМ-поляризованной световой волны и поверхностной плазмон-поляритонной волны, способствуя резонансному возбуждению последней и, тем самым, частичному поглощению светового сигнала. Кроме того, буферный слой 5 ослабляет поглощение ТЕ-поляризованной световой волны за счет уменьшения глубины проникновения поля ТЕ-поляризованной волны в металлический слой пленки 7, способствуя увеличению пропускной способности устройства.
Буферный слой 11 и расположенная на нем металлическая пленка 13. также образуют плазмон-поляритонную структуру, которая за счет значительного затухания ТМ волны, при незначительном затухании ТЕ волны, выполняет на участке 12 сенсора роль поляризатора.
d
λ
λ
Плоский металлический проводник 10 является индуктором магнитного поля. Плоский металлический проводник 10 и соответствующая его проекция на часть структуры под ним, включая буферный диэлектрический слой 8, представляют собой фарадеевскую ячейку. Протяженность этой ячейки вдоль направления света, соответствует ширине плоского металлического проводника. Буферный диэлектрический слой 8 имеет толщину, которая удовлетворяет условию h≥z, где z - глубина проникновения электромагнитного поля волны, распространяющейся в волноводе 2, при которой плазмонный резонанс на участке 9 сенсора не возникает, и оба типа волн ТМ и ТЕ проходят участок 12 сенсора, практически не взаимодействуя с плоским металлическим проводником 10.
Устройство работает следующим образом.
Линейно поляризованный пучок света, вводится во входной торец 3 волновода 2.
При определенном азимуте плоскости поляризации света по отношению к плоскости волновода 2 в нем возбуждаются колебания волноводной моды ТМ-типа, а также моды ТЕ-типа.
В результате высокой чувствительности фазы ТМ моды к изменениям условий поверхностного плазмонного резонанса и остающейся практически неизменной при этом фазы ТЕ моды между ними возникает обусловленный внешним воздействием на плазмонную структуру фазовый сдвиг.
Изменение условий поверхностного плазмонного резонанса может быть обусловлено, например, изменением показателя преломления внешней среды, граничащей с металлической пленкой 7.
Таким образом, при внешнем воздействии на участок 6 сенсора, в волноводе 2 на границе участков 6 и 9 сенсора соотношение фаз ТМ и ТЕ мод света отличается от соотношения этих фаз при отсутствии внешнего воздействия.
Фазовый сдвиг между ТМ и ТЕ модами определяют до и после внешнего воздействия путем сравнения эллипсов поляризации световых волн, при прохождении через фарадеевскую ячейку, образованную на участке 9 сенсора, и поляризатор, образованный на участке 12 сенсора.
При подаче электрического тока на плоский металлический проводник 10 волновод 2 под ним намагничивается вдоль направления распространения света под воздействием горизонтальной составляющей магнитного поля, индуцированного плоским металлическим проводником 10. В волноводе 2 в пределах фарадеевской ячейки на участке 9 сенсора, при его намагничивании в направлении распространения линейно поляризованного света, происходит поворот плоскости поляризации света благодаря действию эффекта Фарадея. Угол поворота плоскости поляризации света определяется длиной намагниченной области волновода 2 под плоским металлическим проводником 10 и величиной удельного фарадеевского вращения материала волновода 2 в направлении распространения света.
Изменением силы тока в плоском металлическом проводнике 10 можно осуществлять поворот эллипса поляризации света в волноводе 2.
При периодическом вращении эллипса поляризации на входе в поляризатор в определенные моменты времени, на выходном торце 4 волновода 2 будут наблюдаться минимумы и максимумы светового сигнала.
При внешнем воздействии на сенсор, например, путем изменения показателя преломления внешней среды, будет наблюдаться изменение времени регистрации минимумов и максимумов интенсивности пучка света на выходном торце 4 волновода 2, относительно фазы изменения силы тока в плоском металлическом проводнике 10.
Изменение воздействия внешней среды на сенсор определяют путем сравнения фазы, например, минимума или максимума регистрируемого оптического сигнала на выходе сенсора с фазой минимума или максимума силы тока в плоском металлическом проводнике 10.
Пример.
Для построения заявляемого МО сенсора 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 160 А/м вдоль оси легкого намагничивания, удельным фарадеевским вращением 110 град/мм на длине волны света λ=1,55 мкм, оптическими потерями ~0,1-0,3 дБ/мм (без учета потерь на отражение от торцов).
F
F
Для обеспечения вращения поляризации света на выходе фарадеевской ячейки на плоский металлический проводник 10 подается переменный ток j(t). Размер плоского металлического проводника 10 в направлении распространения света определяется по формуле w=θ/θ, где θ - угол поворота плоскости поляризации, θ - удельное фарадеевское вращение. При упомянутых характеристиках волновода 2, поворот плоскости поляризации света на угол ±90° обеспечивается при намагничивании его магнитным полем, создаваемым током амплитудой 0,32 А в плоском металлическом проводнике 10 длиной 0,82 мм вдоль пути распространения света в фарадеевской ячейке на участке 9 сенсора.
2
2
3
В качестве диэлектрического буферного слоя 5, 8 и 11 используют, например, окись кремния SiO или оксид алюминия AlO.
Для обеспечения условий плазмон-поляритонного резонанса толщина буферных слоев 5 и 11 должна составлять 5-40 нм.
Толщина буферного слоя 8 составляет 900-1650 нм, что обеспечивает прохождение света через участок 9 сенсора практически без потерь.
Металлические пленки 7 и 13 могут быть выполнены, например, из золота, меди или алюминия.
В качестве плоского металлического проводника 10 используют, например, латунную или медную полосу толщиной 0,04 мм, шириной 0,82 мм, которая может быть нанесена поверх буферного слоя. Модуляция тока, подаваемого на плоский металлический проводник 10, осуществляется с помощью внешнего источника тока (на фиг. 1 не показан).
Для обеспечения условий плазмон-поляритонного резонанса на чувствительном к воздействию внешней среды участке 6 сенсора, толщина металлической пленки 7 должна составлять 10-30 нм.
Поляризатор, образованный на участке 12 сенсора, должен быть невосприимчивым к воздействию внешней среды. Для этого толщина металлической пленки 13 выбирается значительно большей, чем расчетная глубина проникновения электромагнитного поля волны во внешнюю среду через металлический слой.
В качестве плазмонной структуры поляризатора на участке 12 сенсора можно использовать, например, слой алюминия толщиной 100 нм с буферным подслоем из оксида алюминия, толщиной 15 нм, нанесенные на поверхность волновода 2 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.
Ввод света во входной торец 3 волновода 2 и вывод света из выходного торца 4 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 устройства - возможность работы в качестве волноводного фазочувствительного плазмонного сенсора, что повышает функциональность заявляемого технического решения.