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Optischer Isolator Die Erfindungs betrifft einen optischen Isolator,
insbesondere für integrierte optische Kreise0 in den letzten Jahren sind Entwicklungen
auf dem Gebiet der Opto-Elektronik stark vorangetrieben worden.
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Die Entwicklungen waren vorallem darauf gerichtet, integrierte optische
Kreise zu entwickeln, die in ewisser eine fait den integrierten elektronischen Kreisen
vergleichbar sind Grundl.egende Techniken der integrierten optischen Kreise sind
von S.E. Aller in der Zeitschrift "The Bell System Technical Journal" Septem-DeL
1969, zeiten 2059 bis 2065 beschrieben worden.
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Konkrete Vorschläge für einen optischen Isolator sind jedoch bisher
nicht bekannt geworden.
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optische Isolatoren, die in der Vergangenheit im Zusammenhang mit
Lichtleitern zur Anwendung kamen, benutzten den sogenannten Faradey-Effekt, bei
dem die Tolarisationsebene gedreht wird, wenn Licht durch ein
magnetisches
Material mit einem magnetischen Feld und in Richtung parallel zu dem angelegten
magnetischen Feld hindurchgeleitet wird Für integrierte optische Kreise ist ein
solcher auf dem Faradey-Effekt beruhender optischer Isolator wenig geeignet.
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In einem solchen Falle müßte ein Teil eines Bichtleiters in eine Abschnitt
des integrierten optischen Preises aus magnetischem material gebildet sein und es
müßte das magnetische Material in Richtung der Lichtwellenübertragung angeordnet
sein. diese Erfordernisse führen zu einer komplizierten und besonders schwer zu
realisierenden Anordnung Aufgabe der £:rfindung ist es daher, einen einfach herzustellenden,
optischen Isolator anzugeben, der insbesondere für integrierte optische Kreise gut
geeignet ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine dünne magnetische
Schicht im Kontakt mit der fläche eines dielektrischen Körpers, der wenigstens einen
Lichtleiter aufweist, welcher wenigstens einen Lichtleitabschnitt enthält, der parallel
zur Fläche des dielektrischen Körpers und in oder nahe der Fläche verläuft und daß
die magnetische Schicht oberhalb des Lichtleitabschnittes parallel zur solche und
senkrecht zur übertragungsrichtung der Lichtstrahlen magnetisiert ist.
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Vorteilhafte Ausfünrungen nach der Erfindung können den Merkmalen
der Unteransprüche entnomrlien werten.
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Im gegensatz zu aen bekannten optischen Isolatoren, die auf dem Faradey-Effekt
peruhen, beruht der erfindungsgemäße Isolator auf wer nicht reziproken Wirkung einer
magnetischen dünnen Schicht. da die magnetische dünne
Schicht in
jeder gewünschten gestalt und stärke beispielsweise durch ufdampfen auf einem Lichtleitkörper
.er,;estellt werden kann, ist der optische Isolator nach er Erfindungs frei von
den Schwierigkeiten der bekannten optischen Isolatoren und zeichnet sich durch seine
besondcrs einfache Konstruktion und seine leichte Herstellbarkeit aus.
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Der erfindung liegt die Beobachtung zugrunde, daß der wirksame Brechungsindex
der magnetischen dünnen Schicht für die in positiver und negativer Richtung rotierenden
magnetischen Felder der Lichtstrahlen sich ändert oder in anderen orten, daß die
elektromagnetische Feldverteilung der Lichtstrahlen innerhalb des Lichtleitweges
unterschiedlich ist in Abhängigkeit von der Richtung der öbertragung und zwar auf
Grund der Unterschiede der wirksamen Brechungsindizes, die die nicht reziproke bertragungscharakteristik
aufweist. Wenn daher ein Teil des Lichtleitweges aus einem lichtabsorbierenden off
oder medium besteht, werden die Lichtstrahlen, die in einer dichtung sich fortpflanzen,
im wesentlichen absorbiert, wohingegen die Lichtstrahlen in der anderen entgegengesetzten
dichtung nicht oder nur geringfügig absorbiert und ohne wesentliche Dämpfung fortgeleitet
werden.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und einem diagramm
näher erläutert und beschrieben. In den schematischen Zeichnungen zeigt: Fig. 1
eine perspektivische ansicht eines dielektrischen Körpers zur Erläuterung des Erfindungsprinzips,
Fig. 2 ein Diagramm für elektrische Feldverteilungen in einem Körper entsprechend
Fig. 1,
Fig. 3(a), )(b) und 3(c) drei weitere schematische Beispiele
nach der Erfindung und Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der Erfindung
im Querschnitt.
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er infachheit halber erfolgt die Erlauterung einer Verschiebung der
elektromagnetischen Feldverteilung innerhalb des dielektrischen Lichtleitabschnittes
infolge einer magnetischen aünnen Schicht, aie in Richtung senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung
der Lichtstrahlen magnetisiert ist, anhand einer schematischen Zeichnung in Fig.
1.
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In ig, 1(a) bezeichnet die Ziffer 1 einen dielektrischen Lichtleitabschnitt
mit rechteckigem Querschnitt, der durch die Langen (a x b) bestimmt ist. Eine magnetische
dünne schicht 2 isb in Richtung des rfeiles 3 magnetisiert und besitzt eine Stärke
bzw. Dicke c. Die Buchstaben x, y und z bezeichnen die Achsen eines kartesischen
Koordinatensystems. Angenommen die Lichtstrahlen mit einer Polarisationsebene in
der y-dichtung durchlaufen den Lichtleiter 1, so werden die magnetischen Felder
der Lichtstrahlen an den entsprechenden eiten um die achse parallel zur y-achse
und ln entgegengesetzten Richtungen zueinander an beliebigen Punkten an beiden Seiten
der yz-Ebene, nämlin r der Seite, an der sich die magnetische dünne Schient befindet
und an der entgegengesetzten weite gedrent. Lichtstrahlen, die sich in der positiven
Richtung der z-Achse und solche, die sich in der entsprechenden negativen Richtung
fortpflanzen, besitzen in entgegengesetzten Richtungen gedrehte magnetische Felder.
sie magnetische dünne schicht 2, magnetisiert in Richtung senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung
der Lichtstrahlen, änaert den wirksamen brechungsindex in Abhängigkeit von der -otationsricbtunf
nes
magnetischen feldes. Das heißt, wenn sich das magnetische Feld in Richtung einer
rechtsgängigen Schraube bezuglich der Pfeilrichtung 3 der Magnetisierung dreht,
wird der wirksame Brechungsindex hoch. Das rotierende Feld wird hier als positiv
bezeichnet. Im Falle der Erzeugung eines entsprechend negativ rotierenden eldes
wird der wirksame Brechungsindex niedrig. Folglicii weisen die Lichtstrahlen, die
sich in der positiven Richtung entlang der z-Achse fortpflanzen und positiv rotierende
Felder innerhalb der magnetischen dünnen Schicht 2 erzeugen, elektromagnetische
Feldverteilungen auf, iie in der negativen Richtung der x-Achse geneigt verlaufen.
Andererseits weisen die Lichtstrahlen, die sich in der negativen Richtung der z-Achse
fortpflanzen und die negativ rotierende Felder innerhalb der magnetischen dünnen
Schicht 2 erzeugen, elektromagnetische Feldverteilungen auf, die in positiver Richtung
der x-Achse geneigt verlaufen.
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Fig. 1(b) veranschaulicht derartige Verschiebungen der elektrischen
Feldverteilungen. Die gestrichelte Linie 4 bezeichnet die elektrische Feldverteilung
fur den Fall, dah die magnetische dünne Schicht nicht vorhanden isG, während die
ausgezogenen Linien 5 und 6 Beldverteilungen für Lichtstrahlen zeigen, die sich
in positiven bzw. negativen Richtungen entlang der z-Achse ausbreiten.
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Wenn die magnetische dünne Schicht 2 außerdem eine Lichtabsorptionseigenschaft
aufzeigt, werden sich die Lichtstrahlen in positiver Richtung entlang der z-Achse
im vesentlichen mit keiner Dämpfung fortpflanzen, wohingegen die Energie der Lichtstrahlen,
die sich in der negativen Richtung ausbreiten, während der Ausbreitung i wesentlichen
absorbiert wird und zwar wegen der Konzentration der magnetischen Felder in der
magnetischen dünnen Schicht. insofern als die ebene, die die polarisierte
Ebene
der sich ausbreitenden Lichtstrahlen oder eine Ebene mit der elektrischen Feldkomponente
enthält und die Ausbreitungsrichtung parallel zu aer magnetischen dünnen Schicht
gehalten wird, unterscheidet sich dabei der Grad der Dämpfung wesentlich in Achängigkeit
von der Richtung der Ausbreitung der Lichtstrahlen, so daß die erfindungsgemäße
Vorrichtung als ein optischer Isolator verwendbar ist.
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Die Erfindung wird anhand eines ersten Ausführungsbeispieles näher
erläutert.
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Die Ziffer 1 bezeichnet einen Glaskörper 1 mis einem Brechungsindex
n = 1,615. Ein Lichtleitweg 2 besitzt einen Brechungsindex n = 1,620. Eine ferromagnetische
dünne Schicht aus FeF3 ist in Richtung des Pfeiles 4 magnetisiert. Die Lichtstrahlen
breiten sich in Richtung des Pfeiles 5 aus Der Lichtleitweg 2 besitzt eine solche
Quererstreckung, daß nur die Hauptschwingungsart übertragen wird. Die Weite und
Stärke des Lichtleitweges sind mit 2µ bzw.
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0,5µ gewählt. Die ferromagnetischen dünne Schicht 3 besteht aus einem
aufgedämpften FeF3-Film und besitzt eine Stärke von etwa 0,3 Mikron, wobei die aufgedämpfte
Fläche in der (111) Ebene liegt. Wie von R. Wolfe in der Zeitschrift "Journal of
Applied Physics" 1970, Seiten 43 bis 45 berichtet ist, ist FeF3 ein ausgezeichnetes
magnetisches Material, das bei Raumtemperatur verwendbar ist.
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Der Brechungsindex des Materials beträgt 1,54, der Absorptionskoeffizient
beträgt 4,4 cm-1 und die leichte Achse der Magnetisierung liegt in der (111) Ebene.
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Angenommen die Lichtausoreitung entlang dem Lichtleiweg 2 in Richtung
des Pfeiles 5 besitzt eine Polarisationsebene
parallel zur ebene
der dünnen FeF3-Schicht 5, dann wird die elektrische Feldverteilung der Lichtstrahlen
in Richtung der Seite versetzt, die der dünnen FeF3-Schicht 3 gegenüberliegt und
zwar entlang dem eil des Lichtleitweges, an dem die dünne FeF3-Schicht 3 vorhanden
ist. Die Lichtstrahlen können somit durch den Lichtleitweg , hindurchtreten, ohne
wesentlich durch die Schicht absorbiert zu werten. inderelseits sind »ei reflektierten
Lichtstrahlen, die sich in der Richtung entgegengesetzt zur dichtung des pfeiles
5 fortpflanzen, der größere Teil der elektrischen Feldverteilung in Richtung der
dünnen FeF3-Schicht 3 verschoben, das die Energie der Lichtstrahlen in der schicht
3 absorbiert, wie vorhergehend beschrieben. Damit wird ein optischer Isolator erhalten,
der geeignet ist, Lichtstrahlen in einer Richtung zu übertragen, während er die
ubertragung der Lichtstrahlen in der anderen Richtung unterbindet.
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Um eine erfindungsgemäße optische Isolierwirkung wie beschrieben zu
erhalten, ist eine polarisierte schicht oder dergleichen Mittel erforderlich, so
daß' die Polarisationsebene der Eingangslichtstrahlen parallel zur Ebene der Schicht
3 verläuft. Die Ausgangslichtstrahlen der herkömmlichen Halbleiterlaser sind bereits
im TE-Modus polarisiert, so daß hier besondere Folarisationsmittel entbehrlich sein
können.
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Fig. 3(a), f(b) und 3 (c) zeigen schematisch zweite, dritte und vierte
husführungsbeispiele nach der Erfindung. In den Figuren bezeichnet die Ziffer 1
jeweils das transparente dielektrische Material, das jeweils mit einem dielektrischen
Lichtleitweg 2 und einer ferromagnetischen dünnen Schicht 3 versehen ist, die senkrecht
zur Ausbreitungsrichtung der Lichtstrahlen verläuft.
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Der Lichtleitweg 2 in Fig. 3(a) befindet sich im Inneren des dielektrischen
Körpers 1 in einer solchen Tiefe, daß die Verschiebewirkung des elektrischen Feldes
durch die ferromagnetische dünne Schicht 3 wirksam ist0 In Fig, 3(b) ist der Lichtleitweg
2 auf einer Fläche des dielektrischen Körpers 1 angeordnet. In Fig. 3(c) erreicht
wenigstens der eil des Lichtleitweges 2 eine Fläche des dielektrischen Körpers 1,
auf dem sich der ferromagnetische dünne Film 3 befindet0 kit dem zweiten, dritten
und vierten ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Isolators erfolgt
die nusbreitung der Lichtstrahlen nur in einer (Vorwärts-)dichtung, wobei die bperrung
Lichtausbreitung in der entgegengesetzten (Rückwärts-)Richtung wie bei dem ersten
Ausführunsbeispiel erreicht wird.
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In Qig. 4 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel nach cter Erfindung
im querschnitt gezeigt. In dem Glaskörper 1 befindet sich im Lichtleitweg 2. Eine
dünne schicht 5 aus FeF3 auf einem Lichtleitabschnitt ist in Pfeilrichtung 4 magnetisiert.
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Mit 5 ist ein Widerstandskörper, beispielsweise aus metall, dargestellt.
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Lichtstrahlen, die sich durch den Lichtleitweg 2 in Richtung senkrecht
zur Zeichenblattebene der Zeichnung ausureiten, besitzen eine elektrische Feldverteilung,
die im Bereich des Abschnittes des Lichtleitweges, an dem sich die FeF3-Schicht
5 befindet zu der Seite geneigt ist, die dieser Schicht gegenüberliegt. Die Lichtstrahlen
können daher ohne wesentliche Absorption durch den Lichtleitweg hindurchwandern.
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Auf der anderen Seite besitzen die Lichtstrahlen, die sich in der
entgegengesetzten (rückwärtigen) wichtung ausbreiten
eine elektrische
Feldverteilung, aie zur dünnen FeF3-Schicht hin verschoben ist, wie vorstehend ausSeführt.
Daher erfolgt eine wesentliche Absorption durch die dünne FeF3-Schicht 5 und den
Widerstandskörper r 5. Lichtstrahlen, die in dieser (rückwärtigen) Richtung wandern,
werden somit gesperrt. Durch den Widerstandskörper 5 wird die Sperrwirkung des optischen
Isolators in der einen dichtung noch verbessert und erhöht.
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Obgleich Lichtleitwege mit rechteckigem querschnitt mit einem dünnen
Film oder einer dünnen Schicht aus einem ferromagnetischen l;aterial anhand von
fünf Ausführungsbeispielen betchrieben worden sind, ist es klar, dah die Lichtleitwege
einen Brechtungsindex aufweisen können, der über dem -,uerschnitt des Lichtleitweges
vom Zentrum zur Peripherie absatzweise oder kontinuierlich abnimmt. Weiterhin können
dunne Schichten aus jedem anderen ferromagnetischen Material als FeF3 oder aus einer
dünnen Magnetschicht bescehen, die im Zusammenhang mit einem angelegten Magnetfeld
verwendet wird. Der Lichtleitweg ist nicht auf solche für eine einzelne Schwingungsart
beschränkt. So kann es sich auch um einen Ubertragungsweg für Licht mit Mehrfach
schwingungen handeln.
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Die Vorteile des optischen Isolators der vorliegenden Srwindung sind
zusammengefaßt im wesentlichen folgende: Da der Lichtleitweg und die magnetische
dünne Schicht unabhängig voneinander sind, lassen sie sich auf einfache Weise herstellen.
Da die magnetische dünne Schicht auf oder in dem dielektrischen Körper vorgesehen
sein kann, sind herkömmliche techniken für elektrische integrierte Kreise anwendbar.
Da magnetische Materialien im Lichtbereich im allgemeinen große Absortptionskoeffizienten
besitzen, können sie in zweifacher Hinsicht wirksam sein und zwar zur Verschiebung
des elektrischen Feldes und zur Lichtabsorption.
Das Vorsehen eines
zusätzlichen Widerstandskörpers verbessert die wirksamkeit der Sperrung von Lichtstrahlenausbreitung
in einer Richtung. Die Beibehaltung einer Schwingungsart für sich ausbreitende Lichtstrahlen
ist besonders gut.
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Patentansprüche