CN104820298A - 一种基于BiLuIG薄膜的TM-TE磁光调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于BiLuIG薄膜的TM-TE磁光调制器，用于实现超宽带的TM-TE的磁光调制以及调制器的小型平面化。本发明TM-TE磁光调制器，由直流偏置磁场、射频调制磁场及磁光单元组成，其特征在于，所述磁光单元包括光方向上依次设置的光纤、偏振器、磁光薄膜结构和检偏器，所述磁光薄膜结构包括衬底基片、衬底基片上依次设置的BiLuIG磁光薄膜、RF微带线以及微带线上覆盖的绝缘层，其中所述RF微带线为螺旋正反绕组式微带线。本发明射频调制磁场由射频信号加载至螺旋正反绕组式RF微带线产生，螺旋正反绕组式微带线的设计能够有效减少光学损伤并且能够减小磁光薄膜内部对光产生的双折射作用，更大限度地实现光的模式转换。

Description

一种基于BiLuIG薄膜的TM-TE磁光调制器
技术领域
本发明属于光信息调制和光通信技术领域，涉及一种磁光调制器，具体为一种基于BiLuIG薄膜的TM-TE磁光调制器，利用BiLuIG薄膜的法拉第效应，并在外部磁场的作用下，实现光模式的转换。
背景技术
光调制的实现方式很多，最常见的是利用电光调制，如利用晶体电光效应制成的波导调制器。现如今，电光调制器可以被用于光通信系统，但近年来电光调制的缺点越来越明显，比如寿命短、光学损伤大以及会产生直流漂移，使得电光调制器的应用的受到限制。
近年来，磁光材料在光学方面表现越来越大的性能优势。相较于电光调制，磁光调制器能很好的实现光的调制。对于石榴石材料，由于其大的法拉第角、低的光吸收系数以及在近红外区的透明特性，可以被用在光调制器、磁光开关、磁光环行器和光偏转器等器件中，进而可以应用到光通信、光信息处理等领域。磁光调制器的研究是微波光电子学的研究内容之一，它有效地将微波与磁光效应结合起来。与声光作用类似，微波静磁波与导波光相互作用，能够导致Bragg衍射现象，按照波矢匹配的Bragg条件发生光衍射效应。在外加直流偏置场的作用下，磁性材料内部的电子磁矩将产生附加的拉莫进动，在交变电磁场的作用下，磁有序体中某些对磁性有贡献的电子自旋偏离原来有序的排列方向，局部偏离的自旋进动在交换作用及磁偶极矩等相互作用下向有序体的其他部分传播，形成磁矩的非一致进动，即自旋波。静磁波是自旋波的长波模式，静磁波与导光波发生相互作用，能够实现光模式的转换。相比较于纯的钇铁石榴石(YIG)材料，镥铋共掺杂石榴石(BiLuIG)具有更大的法拉第角、更小的光吸收损耗和平面各向异性，对于磁光调制器件，能够更好地实现TM-TE的转换。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于BiLuIG薄膜的TM-TE磁光调制器，实现超宽带的TM-TE的磁光调制以及调制器的小型平面化。
本发明的技术方案为：一种基于BiLuIG薄膜的TM-TE磁光调制器，由直流偏置磁场、射频调制磁场及磁光单元组成，其中，直流偏置磁场与光方向垂直，射频调制磁场与光方向平行、与直流偏置磁场垂直；其特征在于，所述磁光单元包括光方向上依次设置的光纤、偏振器、磁光薄膜结构和检偏器，所述磁光薄膜结构包括衬底基片、衬底基片上依次设置的BiLuIG磁光薄膜、RF微带线以及微带线上覆盖的绝缘层，其中所述RF微带线为螺旋正反绕组式微带线。
优选的，所述磁光薄膜结构的衬底基片采用钆镓石榴石(GGG)衬底基片。
优选的，所述射频调制磁场由射频信号加载至螺旋正反绕组式微带线上产生。
优选的，所述直流偏置磁场由永磁铁加载电流线圈产生，或者由永磁铁产生。
优选的，所述直流偏置磁场由直流偏置信号加载至两层互相交叠的矩形微带线上产生。两层直流微带线依次设置于磁光薄膜结构绝缘层上，且每层直流微带线上分别设置有绝缘层。
本发明中的磁光调制器利用的是Faraday效应，利用静磁波与导波光的相互作用实现。所述射频调制磁场由射频信号加载至螺旋正反绕组式RF微带线产生，螺旋正反绕组式微带线的设计能够有效减少光学损伤并且能够减小磁光薄膜内部对光产生的双折射作用，更大限度的实现光的模式转换。同时，本发明采用液相外延生长BiLuIG薄膜作为磁光薄膜，该薄膜材料具有大Faraday角、小的光吸收系数以及面内各向异性的特性，实现了超宽带的TM-TE的磁光调制；另外，本发明采用直流偏置磁场和射频调制磁场通过微带线设计得以实现，实现方式更加简洁且有效实现了器件小型化。
附图说明
图1是本发明磁光调制器中光的传播方向和磁场的方向示意图。其中，9是衬底基片、10是磁光薄膜。
图2是本发明实施例1中磁光调制器结构示意图，其中，1是光纤、2是偏振器、3是微带线、4是检偏器、5是磁体、9是衬底基片GGG、10是磁光薄膜。
图3是本发明实施例1中磁光调制器另一结构示意图，其中，6是永磁铁(NdFeB)。
图4是本发明磁光调制器中射频磁场加载的微带线设计示意图。
图5是本发明实施例2中磁光调制器结构示意图，其中，7、8为微带线、11均为绝缘层。
图6是本发明实施例2中磁光调制器中直流偏置场的设计示意图。
图7是本发明实施例2中磁光调制器中磁光单元的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
基于BiLuIG薄膜的TM-TE磁光调制器，其结构如图2或图3所示。图2、图3描述的是本实施例磁光调制器的主要部分的透视图，1是光纤,2是偏振器,3是微带线，4是检偏器，5磁体，由永磁铁加直流线圈构成，6是永磁铁(NdFeB)，9是基片衬底GGG，10是磁光薄膜。
如图2、3所示，光源采用半导体激光器，光通过光纤1导入磁光单元，依次经过偏振器2、磁光薄膜10、检偏器4以及光电探测器。光束被偏振器4线偏振，从而进入磁光薄膜；磁光薄膜由具有磁光效应的薄膜组成，这里采用的通过液相外延工艺制成的BiLuIG单晶薄膜；在外部磁场的作用下，光在磁光薄膜内部传播期间，由于Faraday效应，导波光与静磁波发生相互作用，使得光的偏振面发生旋转；从磁光薄膜输出的光被输入到光检偏器，最后经光电探测器将光的强度信号转换为电信号，进而探测、分析。可利用光在薄膜中的传播距离、薄膜的光吸收系数以及磁场的强度来控制光的偏振旋转角度。
在图2、图3中直流偏置磁场Hdc分别由永磁铁加电流线圈5或永磁铁6(如Sm-Co、NdFeB)实现，前者可通过线圈匝数使得磁场强度在一定范围内可调，后者可以通过改变两块磁铁之间的间距来调节磁场强度的大小。RF磁场Hrf由射频信号加载至螺旋正反绕组式微带线3实现，射频磁场通过螺旋正反绕组式微带线3的设计以及加载射频信号产生，螺旋正反绕组式微带线3的设计能够减少光学损伤并且能够减小薄膜内部对光产生的双折射作用，能够更大限度的实现光的模式转换。图4是磁光调制中射频磁场加载的螺旋正反式微带线3的具体形状，螺旋正反式微带线3与磁光BiLuIG材料9直接物理接触，能够实现更大的耦合。磁光薄膜采用的是液相外延形成的BiLuIG薄膜，因其具有大的Faraday角、小的光吸收系数以及能够实现面内各向异性。直流偏置磁场的大小大于材料的饱和磁场，使其磁化饱和，获得条状畴，当射频磁场施加时，能够减少畴壁移动对磁光效应产生的影响。
实施例2
基于BiLuIG薄膜的TM-TE磁光调制器，其结构如图5所示。图5描述的是磁光调制器的主要部分的透视图，1是光纤,2是偏振器,3是微带线，4是检偏器,7、8是微带线。
如图5所示，光通过光纤1导入磁光单元，依次经过偏振器2、磁光薄膜10、检偏器4以及光电探测器。光束被偏振器4线偏振，从而进入磁光薄膜；磁光薄膜采用的是通过液相外延工艺制成的BiLuIG单晶薄膜；在外部磁场Hdc和Hrf的作用下，光在磁光薄膜内部传播期间，导波光与静磁波发生相互作用，使得光的偏振面发生旋转；从磁光薄膜输出的光被输入到光检偏器，最后经光电探测器将光的强度信号转换为电信号，进而探测、分析。
如图5所示，直流偏置磁场Hdc和射频交变磁场Hrf均由微带线产生，能够实现磁光调制器的小型化和平面。RF磁场由射频信号加载至螺旋正反绕组式微带线3实现，射频磁场通过螺旋正反绕组式微带线3的设计以及加载射频信号产生。如图6所示，直流偏置磁场采用两层互相交叠的矩形微带线，两层微带线的叠加要确保光路经过磁场的均匀性。为了避免干扰，直流微带线和RF微带线之间用绝缘层11隔开，如图7所示。

Claims (5)

1.一种基于BiLuIG薄膜的TM-TE磁光调制器，由直流偏置磁场、射频调制磁场及磁光单元组成，其中，直流偏置磁场与光方向垂直，射频调制磁场与光方向平行、与直流偏置磁场垂直；其特征在于，所述磁光单元包括光方向上依次设置的光纤、偏振器、磁光薄膜结构和检偏器，所述磁光薄膜结构包括衬底基片、衬底基片上依次设置的BiLuIG磁光薄膜、RF微带线以及微带线上覆盖的绝缘层，其中所述RF微带线为螺旋正反绕组式微带线。
2.按权利要求1所述基于BiLuIG薄膜的TM-TE磁光调制器，其特征在于，所述磁光薄膜结构的衬底基片采用钆镓石榴石衬底基片。
3.按权利要求1所述基于BiLuIG薄膜的TM-TE磁光调制器，其特征在于，所述射频调制磁场由射频信号加载至螺旋正反绕组式RF微带线上产生。
4.按权利要求1所述基于BiLuIG薄膜的TM-TE磁光调制器，其特征在于，所述直流偏置磁场由永磁铁加载电流线圈产生，或者由永磁铁产生。
5.按权利要求1所述基于BiLuIG薄膜的TM-TE磁光调制器，其特征在于，所述直流偏置磁场由直流偏置信号加载至两层互相交叠的矩形直流微带线上产生，两层直流微带线依次设置于磁光薄膜结构绝缘层上，且每层直流微带线上分别设置有绝缘层。
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