DE102006050580A1

DE102006050580A1 - Optischer Isolator, Anordnung mit einem optischen Isolator, Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung

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Publication number: DE102006050580A1
Application number: DE102006050580A
Authority: DE
Inventors: Georg Dr. Freymann von; Michael Thiel; Martin Prof. Dr. Wegener
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2006-10-26
Filing date: 2006-10-26
Publication date: 2008-04-30
Also published as: EP2084567A1; US20100079863A1; JP2010522891A; WO2008049475A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Isolator, eine Anordnung mit einem optischen Isolator, ein Verfahren zur Herstellung des optischen Isolators und die Verwendung des optischen Isolators und der Anordnung. Ein erfindungsgemäßer optischer Isolator für ein Frequenzfenster aus dem elektromagnetischen Spektrum umfasst eine erste Komponente, die die Funktion einer Viertelwellenplatte besitzt, eine sich hieran anschließende zweite Komponente, die einen zirkularen Dichroismus aufweist, und vorzugsweise eine sich hieran anschließende dritte Komponente, die ebenfalls die Funktion einer Viertelwellenplatte besitzt. Eine erfindungsgemäße Anordnung umfasst einen optischen Isolator aus den genannten drei Komponenten, die zwischen zwei gleich orientierten Polarisatoren angeordnet sind. Ein erfindungsgemäßer optischer Isolator lässt sich in jedem Lasersystem zur Verringerung oder Unterdrückung der Rückkopplung des Lasers einsetzen. Bevorzugt ist die Verwendung in Halbleiterlasern in der Telekommunikation. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung werden Fenster möglich, die in einem bestimmten Frequenzfenster nur von einer Richtung aus durchsichtig sind. Für den infraroten Wellenlängenbereich ergibt sich damit unidirektionale Wärmeisolation.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Isolator, eine Anordnung mit einem optischen Isolator, ein Verfahren zur Herstellung des optischen Isolators und die Verwendung des optischen Isolators und der Anordnung.
Ein optischer Isolator besitzt die Eigenschaft, elektromagnetische Strahlung, insbesondere aus dem ultravioletten, sichtbares und infraroten Frequenzbereich, innerhalb eines bestimmten Frequenzfensters im Wesentlichen nur in eine Richtung ausbreiten (propagieren) zu lassen und die Transmission einer zurücklaufenden Lichtwelle abzuschwächen oder vollständig zu unterdrücken. Damit verringern bzw. unterbinden optische Isolatoren insbesondere das Problem der Rückkopplung in Lasern, das vor allem in Halbleiterlasern den Laserbetrieb erheblich beeinträchtigt.
Aus dem Stand der Technik sind optische Isolatoren bekannt, die auf dem Faraday-Effekt beruhen, bei dem ein statisches Magnetfeld die Polarisation des Lichts dreht. Stellt man ein derartiges Faraday-Element zwischen zwei, um 45° zueinander gedrehte Polarisatoren, so bildet sich dann ein optischer Isolator aus, wenn die Polarisation durch das Faraday-Element genau um 45° gedreht wird, was sich auf dem Hin- und Rückweg auf 90° aufsummiert. Der Faraday-Effekt erfordert jedoch ein statisches Magnetfeld zum Aufbau derartiger optischer Isolatoren.
Aus J. Hwang, M.H. Song, B. Park, S. Nishimura, T. Toyooka, J. W. Wu, Y. Takanishi, K. Ishikawa und H. Takezoe, Electro-tun-able optical diode based an photonic bandgap liquid-crystal heterojunctions, Nature Mater. 4, S. 383, 2005, ist eine optische Diode für zirkular polarisiertes Licht bekannt, die sich jedoch nicht für die Isolation von Licht eignet. Fällt z.B. rechtshändig zirkular polarisiertes Licht auf die optische Di ode, wird dieses transmittiert. Stellt man hinter die optische Diode einen Spiegel, wird das rechtshändig zirkular polarisierte Licht in linkshändig zirkular polarisiertes Licht umgewandelt, das sich ungehindert durch die optische Diode ausbreiten kann, während in einem optischen Isolator die Ausbreitung des Lichts in Rückwärtsrichtung abgeschwächt oder ganz unterdrückt sein müsste.
Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Isolator, ein Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung vorzuschlagen, der die aufgeführten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweist. Insbesondere soll der optische Isolator kein statisches Magnetfeld benötigen, damit er kompakter aufgebaut werden kann und sich auch in magnetfeldsensitiven Anwendungen einsetzen lässt.
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf den optischen Isolator durch die Merkmale des Anspruchs 1, im Hinblick auf eine Anordnung mit einem optischen Isolator durch das Merkmal des Anspruchs 9, im Hinblick auf das Herstellungsverfahren durch die Schritte des Anspruchs 10 oder 11 und im Hinblick auf die Verwendung durch die Ansprüche 12 und 13 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Ein erfindungsgemäßer optischer Isolator umfasst eine kompakte photonische Heterostruktur, die für ein bestimmtes, skalierbares Frequenzfenster isolierend wirkt. Die Heterostruktur weist mindestens zwei Komponenten auf, wobei die erste Komponente die Funktion einer Viertelwellenplatte besitzt und die zweite Komponente einen zirkularen Dichroismus aufweist.
Die Funktion der ersten Komponente als Viertelwellenplatte (λ/4-Platte) wird vorzugsweise in Form einer achromatischen oder eine superachromatischen Verzögerungsplatte, insbesondere aus Quarz und MgF₂, bereitgestellt. Damit lässt sich der optische Isolator über ein besonders breites Frequenzfenster aus dem elektromagnetischen Spektrum einsetzen.
In einer alternativen Ausgestaltung dient eine Struktur aus parallel zueinander angeordneten Lamellen als Viertelwellenplatte. Die Höhe der Lamellen wird hierbei so gewählt, dass die eine Komponente des elektrischen Feldes gegenüber der zu ihr senkrechten Komponente genau um eine viertel Wellenlänge phasenverschoben wird. Um eine möglichst Isolation für den Wellenlängenbereich um 1500 nm zu erzielen, ist bei einem Brechungsindex von n = 1,57 und einem Abstand der Lamellen von 1 μm eine Höhe der Lamellen von 4 μm erforderlich.
Die zweite Komponente besteht aus einem Material, das einen zirkularen Dichroismus besitzt, d.h. in dem rechts- und linkszirkular polarisiertes Licht unterschiedlich durchgelassen (transmittiert) wird. Diese Funktion der zweiten Komponente bewirkt den nichtreziproken Charakter des optischen Isolators. Ein derartiges Material ist dadurch ausgezeichnet, dass es sich nicht mit seinem Spiegelbild zur Deckung bringen lässt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird hierfür ein chiraler photonischer Kristall eingesetzt.
Besonders bevorzugt ist hierbei ein photonischer Kristall, der eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Spiralen aufweist, deren Längsachsen senkrecht zur optischen Achse der ersten Komponente angeordnet sind. Ein Beispiel für einen derartigen photonischen Kristall kann den unten näher erläuterten 4 und 5 entnommen werden.
Weiterhin bevorzugt wird hierfür ein chiraler photonischer Kristall eingesetzt, der aus gegeneinander um einen Winkel, der ungleich 90° ist, verdrehten doppelbrechenden anisotropen Schichten aufgebaut ist. Ein Beispiel für einen derartigen photonischen Kristall findet sich in der unten näher erläuterten 6.
In einer alternativen Ausgestaltung sind als zweite Komponente Turmaline sowie bestimmte Flüssigkristalle, insbesondere Cholesterine, geeignet. Letztere lassen sich insbesondere durch Selbstorganisation herstellen.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen optischen Isolators lässt sich wie folgt erklären. Ist die optische Achse der Viertelwellenplatte 45° zur Lichteinfallsebene orientiert, so erzeugt die Viertelwellenplatte aus einfallendem linear polarisiertem Licht, das z.B. aus einem Laser stammt, zirkular polarisiertes Licht. Dieses zirkular polarisierte Licht tritt anschließend in die chirale Komponente ein und wird entsprechend der Händigkeit der chiralen Komponente transmittiert oder reflektiert. Ist die chirale Komponente rechtshändig, so wird die Ausbreitung von linkshändig zirkular polarisiertem Licht unterdrückt; ist die chirale Komponente linkshändig, so wird die Ausbreitung von rechtshändig zirkular polarisiertem Licht unterdrückt. Besitzt das zum optischen Isolator zurücklaufende Licht also gerade die andere Händigkeit, so liegt ein nichtreziproker Charakter der Vorrichtung vor, d.h. das Licht kann sich nicht in Rückwärtsrichtung durch den Isolator ausbreiten.
In einer weiteren Ausgestaltung, umfasst der optische Isolator zusätzlich eine dritte Komponente. Die dritte Komponente besteht wiederum aus einer Viertelwellenplatte, wobei die optische Achse der dritten Komponente um 90° in Bezug zur gleichen optischen Achse der ersten Komponente gedreht ist. Die dritte Komponente erzeugt wiederum linear polarisiertes Licht.
Wird ein optischer Isolator aus den genannten drei Komponenten in einer erfindungsgemäßen Anordnung zwischen zwei gleich orientierte Polarisatoren angeordnet, so wird die rückwärtige Ausbreitung von Licht jeglicher Polarisation durch den Isolator innerhalb eines bestimmten Frequenzfensters erheblich verringert oder vollständig verhindert.
Ein erfindungsgemäßer optischer Isolator lässt sich mittels direktem Laserschreiben herstellen. Für die Herstellung größerer Flächen eignen sich so genannte Mikrolinsenarrays im Direkten Laserschreiben oder holographische Verfahren. Ein weiteres mögliches Verfahren ist die Abscheidung unter streifendem Winkel, die auch als Glancing Angle Deposition (GLAN) bezeichnet wird.
Ein erfindungsgemäßer optischer Isolator lässt sich grundsätzlich in jedem Lasersystem zur Verringerung oder Unterdrückung der Rückkopplung des Lasers einsetzen. Bevorzugt ist die Verwendung in Halbleiterlasern in der Telekommunikation im nahen Infrarot.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung werden Fenster möglich, die in einem bestimmten Frequenzfenster für ultraviolettes oder sichtbares Licht nur von einer Richtung aus durchsichtig sind. Skaliert auf den infraroten Wellenlängenbereich ergibt sich damit unidirektionale Wärmeisolation: In einem Passivhaus tritt Wärmestrahlung von außen in das Haus ein, Wärmestrahlung kann jedoch nicht aus dem Haus austreten.
Die Erfindung weist die im Folgenden erwähnten Vorteile auf.
Erfindungsgemäße optische Isolatoren benötigen im Unterschied zu den Faraday-Isolatoren kein statisches Magnetfeld. Der Verzicht auf ein statisches Magnetfeld erlaubt den Einsatz in magnetfeldsensitiven Anwendungen und ermöglicht die Herstellung dünnerer und großflächiger optischer Isolatoren. Der erfindungsgemäße optische Isolator lässt sich damit sehr kompakt aufbauen. Damit wird die Integration in optische Systeme, z.B. hinter den Auskoppelspiegel eines Lasers, einfach möglich.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 Schematische Darstellung eines optischen Isolators aus zwei Komponenten
2 Schematische Darstellung eines optischen Isolators aus drei Komponenten
3 Schematische Darstellung einer Anordnung aus einem optischen Isolator aus drei Komponenten zwischen zwei gleichen Polarisatoren
4 Beispiel für einen optischen Isolator aus zwei Komponenten mit Lamellenstruktur und Spiralstruktur
5 Beispiel für einen optischen Isolator aus drei Komponenten mit Lamellenstrukturen und Spiralstruktur
6 Weiteres Beispiel für die zweiten Komponente eines optischen Isolators
7 Transmissionsspektren eines optischen Isolators aus zwei Komponenten über der Wellenlänge
1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen optischen Isolator, der von einer linear polarisierten Welle 10 beaufschlagt wird und der aus einer Viertelwellenplatte als erster Komponente 1 und aus einer zweiten Komponente 2, die einen zirkularen Dichroismus besitzt, besteht.
2 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen optischen Isolator, der von einer linear polarisierten Welle 10 beaufschlagt wird und der aus einer Viertelwellenplatte als erster Komponente 1, aus einer zweiten Komponente 2, die einen zirkularen Dichroismus besitzt, und aus einer weiteren Viertelwellenplatte als dritter Komponente 3 besteht.
3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung aus einem optischen Isolator, der aus einer Viertelwellenplatte als erster Komponente 1, aus einer zweiten Komponente 2, die einen zirkularen Dichroismus besitzt, und aus einer weiteren Viertelwellenplatte als dritter Komponente 3 besteht und der zwischen zwei gleichen Polarisatoren 4, 4' angeordnet ist.
4 zeigt ein Beispiel eines optischen Isolators, der sich auf einem Substrat 5 befindet und bei dem die erste Komponente 1 in Form einer Lamellenstruktur und die zweite Komponente 2 als Spiralstruktur ausgeführt ist, wobei die optische Achse 11 der ersten Komponente 1 senkrecht zur optischen Achse 12 der zweiten Komponente 2 steht. Ein derartiger optischer Isolator wurde im Labor mittels direktem Laserschreiben hergestellt.
5a) zeigt ein Beispiel eines optischen Isolators, der sich auf einem Substrat 5 befindet und bei dem die erste Komponente 1 in Form einer Lamellenstruktur, die zweite Komponente 2 als Spiralstruktur und die dritte Komponente 3 ebenfalls in Form einer Lamellenstruktur ausgeführt ist, wobei die optische Achse 11 der ersten Komponente 1 sowohl senkrecht zur optischen Achse 12 der zweiten Komponente 2 als auch zur gleichen optischen Achse 13 der dritten Komponente 3 steht. Ein derartiger optischer Isolator wurde im Labor ebenfalls mittels direktem Laserschreiben hergestellt.
In 5b), c) und d) sind bevorzugte Dimensionen der Spiralstruktur des chiralen photonischen Kristalls für die Verwendung des optischen Isolators im Bereich der Telekommunikation, d.h. für Wellenlängen von 1000 nm bis 1600 nm dargestellt. Hierbei sollten Abstand und Periode der Spiralen 1 μm bis 1,5 μm, bevorzugt ca. 1,2 μm, betragen und der Durchmesser der Spiralen im Bereich von 0,5 μm bis 1 μm, bevorzugt ca. 0,72 μm, liegen. Für die Voxelform im direkten Laserschreiben wurde ein Verhältnis von x = 2 gewählt, wobei im Allgemeinen ein Verhältnis von x = 1 bis x = 5 ebenso geeignet ist. Als Materialien eignen sich polymere Photoresiste wie z.B. SU-8, Chalcogenidgläser wie z.B. As₂S₃ oder Silizium.
In 6 ist ein weiteres Beispiel für die zweite Komponente eines optischen Isolators dargestellt, die aus einem photonischen Kristall besteht, der aus gegeneinander um einen Winkel, der ungleich 90° ist, verdrehten doppelbrechenden anisotropen Schichten aufgebaut ist, der sich auf einem Substrat befindet. Derartige photonische Kristalle meist mit einem Winkel von 90° werden als wood-pile Struktur bezeichnet.
7 zeigt experimentell aufgenommene Transmissionsspektren über einen Wellenlängenbereich von 1000 bis ca. 1750 nm eines erfindungemäßen optischen Isolators, der aus zwei Komponenten aus dem Negativ-Polymerlack SU-8 (Brechungsindex n = 1.57) besteht. Gemäß 4 dient eine Lamellenstruktur mit einer Gitterkonstante von 1 μm und einer Höhe von 4 μm als Viertelwellenplatte. Eine Spiralstruktur mit einer Gitterkonstante von 1,2 μm wird als chirales Element eingesetzt.
Aus den Transmissionsspektren ist deutlich erkennbar, dass sich die Transmission im Bereich von 1500 nm bis ca. 1800 nm deutlich ändert, falls die Schwingungsebene des eingestrahlten Lichts im 45° oder –45° Winkel eingestrahlt wird. Zudem wurde die Hauptachse um 90° gedreht, um auch die Propagation in Rückwärtsrichtung zu testen. Erwartungsgemäß zeigen sich komplementäre Ergebnisse. Damit ist nachgewiesen, dass sich dieser optische Isolator für den Einsatz in einem Frequenzfenster von 170 bis 200 THz eignet.

Claims

Optischer Isolator für ein Frequenzfenster aus dem elektromagnetischen Spektrum, der eine erste Komponente, die die Funktion einer Viertelwellenplatte besitzt, und eine sich hieran anschließende zweite Komponente, die einen zirkularen Dichroismus aufweist, umfasst.
Optischer Isolator nach Anspruch 1, der zusätzlich eine sich an die zweite Komponente anschließende dritte Komponente aufweist, wobei die dritte Komponente die Funktion einer Viertelwellenplatte besitzt und die optische Achse der dritten Komponente senkrecht zur optischen Achse der ersten Komponente angeordnet ist.
Optischer Isolator nach Anspruch 1 oder 2 mit einer achromatischen oder superachromatischen Verzögerungsplatte als Viertelwellenplatte.
Optischer Isolator nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Struktur aus parallel zueinander angeordneten Lamellen als Viertelwellenplatte.
Optischer Isolator nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem chiralen photonischen Kristall als zweite Komponente.
Optischer Isolator nach Anspruch 5 mit einem photonischen Kristall aus einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Spiralen, deren Längsachsen senkrecht zur optischen Achse der ersten Komponente angeordnet sind.
Optischer Isolator nach Anspruch 5 mit einem photonischen Kristall, der aus gegeneinander um einen Winkel ungleich 90° verdrehten doppelbrechenden anisotropen Schichten aufgebaut ist.
Optischer Isolator nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit cholesterischen Flüssigkristallen als zweite Komponente.
Anordnung mit einem optischen Isolator nach einem der Ansprüche 2 bis 8, der zwischen zwei gleich orientierten Polarisatoren angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Isolators nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mittels direktem Laserschreiben oder mittels Holographie.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Isolators nach Anspruch 8 durch Selbstorganisation der cholesterischen Flüssigkristalle.
Verwendung eines optischen Isolators nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Verringerung der Rückkopplung in einen Laser.
Verwendung eines optischen Isolators nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder einer Anordnung nach Anspruch 9 zur Verringerung der Ausbreitung von ultraviolettem, sichtbarem oder infrarotem Licht in eine Richtung.