DE2535564A1

DE2535564A1 - Anordnung zur umwandlung der ausbreitungsmode von strahlungsenergie unter ausnutzung magnetooptischer effekte und ihre anwendung bei nichtreziproken verbindungen

Info

Publication number: DE2535564A1
Application number: DE19752535564
Authority: DE
Inventors: Bernard Desormiere; Georges Hepner
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1974-08-09
Filing date: 1975-08-08
Publication date: 1976-02-26
Also published as: GB1518119A; FR2281585A1; US3995936A; JPS5143949A; JPS5845681B2; FR2281585B1

Description

Anordnung zur Umwandlung der Ausbreitungsmode von Strahlungsenergie unter Ausnutzung magnetooptischer Effekte und ihre Anwendung bei nichtreziproken Verbindungen

Die Erfindung betrifft die Fortleitung von Strahlungsenergie in integrierter Optik und insbesondere eine Anordnung zur Umwandlung der Ausbreitungsmode der fortgeleiteten Energie unter Verwendung magnetooptischer Effekte.

Bekanntlich wird in der integrierten Optik, die in Analogie zu den integrierten elektronischen Schaltungen so bezeichnet wird, die Strahlungsenergie durch Totalreflexionen an den Wänden eines Wellenleiters fortgeleitet, der aus einer dünnen Schicht mit hohem Brechungsindex besteht, die auf ein Substrat aufgebracht ist. Die Strahlungsenergie breitet sich

6 09809/0897

in einem solchen Wellenleiter mit einer Anzahl diskreter Moden aus.

Es ist möglich, einen Modenumwandler unter Ausnutzung magnetooptischer Effekte zu schaffen, wie beispielsweise des Faraday-Effekts. Bei diesem Effekt benutzt man zum Fortleiten-<3er Strahlungsenergie eine magnetische Schicht, die in der Ausbreitungsrichtung magnetisiert ist. Wenn beispielsweise am Eingang der Anordnung die fortgeleitete Mode vom TE-Typ ist, so erscheint im Verlauf der Ausbreitung ein Anteil der Energie in der TM-Mode. Man kann auf diese Weise einen Modenumwandler schaffen, der beispielsweise die TE-Mode in die TM-Mode umwandelt. Ein solcher Umwandler weist jedoch grosse Nachteile auf: einerseits ist das Umwandlungsverhältnis klein und andererseits wird die Umwandlungsbilanz periodisch Null, und zwar wegen der Phasenverschiebungen aufgrund der Differenz zwischen den Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Energie in der Anfangsmode und der Endmode.

Zur Beseitigung dieses Nachteils sind bereits verschiedene Lösungen vorgeschlagen worden, von denen insbesondere genannt werden können:die periodisch Umkehrung der Magnetisierungsrichtung derart, dass sich die Umwandlungseffekte addieren, oder aber das Anbringen einer anisotropen Schicht auf dem Wellenleiter, die dank der Doppelbrechung die Kompensation der oben genannten Differenz der Ausbreitungsgeschwindigkeiten bewirkt. Beide Lösungen bringen indessen beträchtliche Ausführungskomplikationen mit sich.

Ein Ziel der Erfindung ist es, diese verschiedenen Nachteile durch die Verwendung einer Struktur zu vermeiden, in der diese Differenz der Ausbreitungsgeschwindigkeiten Null ist. Zu diesem Zweck verwendet die Erfindung eine andere magnetooptische Erscheinung, die als Cotton-Mouton-Effekt bezeichnet

609809/0897

wird und deren Auswirkungen in den ferrimagnetischen Materialien des Granat-Typs besonders gross sind.

Die Erfindung schafft, genauer gesagt, eine Anordnung zur Umwandlung der Ausbreitungsmode von Strahlungsenergie, mit einem Substrat, auf das eine Schicht aufgebracht ist, in der sich die Energie ausbreitet und die aus einem ferrimagnetischen Material des Seltene-Erde-und-Eisen-Granat-Typs besteht, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Magnetisierung dieses Materials derart gerichtet ist, dass sie zumindest eine Komponente in der zu der Ausbreitungsrichtung normalen Richtung aufweist, und dass die Schicht eine solche Dicke hat, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Anfangsmode und der Endmode gleich sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung. In den Zeichnungen zeigen:

Die Fig. 1 und 2 Erläuterungsdiagramme, von denen

sich das erste auf Anordnungen bekannter Art und das zweite auf die Anordnung nach der Erfindung bezieht,

Fig. 3 eine Ausführungsform der Anordnung

nach der Erfindung, und

Fig. 4 die Anwendung der Anordnung nach

der Erfindung auf die Schaffung von nichtreziproken Verbindungen.

In den verschiedenen Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile.

6098Ü9/0897

Fig. 1 zeigt Dispersionskurven der sich in einem Modenumwandler bekannter Art ausbreitenden Energie, der auf dem als Faraday-Effekt bezeichneten magnetooptischen Effekt basiert.

Bekanntlich tritt diese Erscheinung auf, wenn sich das Licht in einem magnetischen Material ausbreitet, dessen Magnetisierung parallel zu der Ausbreitungsrichtung der Energie ist oder zumindest eine Komponente in dieser Richtung besitzt. Sie bewirkt die Drehung der Polarisation des Lichtes um einen Winkel, der zu der Wechselwirkungslänge proportional ist, in einer Richtung, die nur von der Magnetisierungsrichtung und nicht von der Ausbreitungsrichtung abhängig ist: es handelt sich um einen nichtreziproken Effekt.

Zur Schaffung eines Umwandlers mit Hilfe einer solchen Struktur wählt man eine derartige Wechselwirkungslänge, dass die erzielte Drehung beispielsweise r- beträgt, wenn die Anfangsmode eine TE-Mode und die gewünschte Endmode eine TM-Mode ist.

Wie oben bereits erwähnt, rührt ein grosser Nachteil dieser Art von Anordnung von der Tatsache her, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Energie in jeder der Moden nicht die gleichen sind, wie es Fig. 1 zeigt.

In Fig* 1 ist auf der Abszisse eine Grosse U aufgetragen,, die als effektiver Brechungsindex des Wellenleiters bezeichnet wird und gleich r- ist, wobei β die Ausbreitungskonstante der geführten Welle und k ihre Wellenzahl ist (k = -τ-, wobei λ die Wellenlänge ist), und auf der Ordinate ist das Produkt kW aufgetragen, wobei W die Dicke des Wellenleiters ist. Es sind zwei Kurven dargestellt, von denen die eine einer TE-Anfangsmode und die andere der gewünschten

609809/0897

TM-Mode entspricht, zum Beispiel die Grundmoden TE und

Die Kurven TE und TM sind zu den unteren Werten hin durch eine Absz.is senger ade N und zu den oberen Werten hin durch eine Abszissengerade N begrenzt, zu der sie beide asymptotisch sind, wobei N der Brechungsindex des Substrats und N der Brechungsindex des Wellenleiters ist.

Wie das Diagramm von Fig. 1 zeigt, entsprechen einer bestimmten Dicke des Wellenleiters, beispielsweise der Dicke Ww unterschiedliche effektive Brechungsindizes N, und N„ für jede der TM- und TE-Moden, d.h. unterschiedliche Ausbreitungskonstanten (N = H. Diese Unterschiedlichkeit hat, wie oben dargelegt, die periodische Annulierung der Umwandlungsbilanz zur Folge.

Fig. 2 zeigt die Dispersionskurven der Energie, die sich in der Anordnung nach der Erfindung ausbreitet, von der eine Ausführungsform in Fig. 3 dargestellt ist.

In dieser Ausführungsform besteht die Anordnung nach der Erfindung aus einem Substrat 1, welches beispielsweise aus einem nichtmagnetischen Gadolinium-Gallium-Granat besteht, auf dem die Schicht 2 ein durch Heteroepitaxie hergestellter ferr!magnetischer Granat ist. Zu diesem Zweck ordnet man in einem Ofen einen Tiegel an, welcher das Epitaxiebad enthält, das aus Yttrium- und Eisenoxiden und aus einem Flussmittel (zum Beispiel Bleioxid und Boroxid) besteht. Das Substrat 1 wird in das unterkühlte Bad eingetaucht und mit einer Geschwindigkeit in der Grössenordnung von 100 U/min. in eine Drehbewegung um eine vertikale Achse versetzt. Nachdem das erhaltene Plättchen aus dem Bad entnommen worden ist, wird es mit einer hohen Geschwindigkeit in der Grössenordnung

6098 US /0897

2 b 3 5 5 G 4

von 1500 U/min, in Drehung versetzt, um das Flussmittel von der epitaktisch aufgewachsenen Schicht zu beseitigen.

In einer ersten Variante liegt die Magnetisierungsrichtung M des Materials in der Ebene der Schicht 2, die in Fig.

3 als yOz-Ebene bezeichnet ist, wobei Oz die Ausbreitungsrichtung der Energie ist. Diese Magnetisierung wird dann in die y-Achse gerichtet. Die elektromagnetischen Einrichtungen, die zur Erzielung einer solchen Magnetisierung erforderlich sind, sind herkömmlicher Art und in Fig. 3 nicht dargestellt.

In Fig. 3 ist ausserdem eine Ausführungsform der mit 3 und

4 bezeichneten Strahlungsenergieeingangs- bzw. -ausgangseinriehtungen dargestellt, die weiter unten beschrieben sind. Die Energie breitet sich in der Schicht 2 in einer z-Achse aus, die zu der x-Achse normal ist.

Diese Struktur hat eine zu der Ausbreitungsrichtung Oz normale Magnetisierung; der weiter oben genannte Faraday-Effekt existiert nicht mehr, sondern ist durch eine andere magnetooptische Erscheinung ersetzt: den Cotton-Mouton-Effekt.

Es sei daran erinnert, dass diese Erscheinung, deren Wirkungen in derselben Grössenordnung liegen wie die des Faraday-Effekts, obgleich sie ein wenig schwächer sind, in gewissen Materialien, wie den ferrimagnetischen Materialien vom Yttrium-Eisen-Granat-Typ oder vom Terbium-Eisen-Granat-Typ oder allgemeiner vom Seltene-Erde-und-Eisen-Granat-Typ, eine Energieübertragung von einer Ausbreitungsmode zur anderen zur Folge hat,wenn die Ausbreitung in gewissen bevorzugten Kristallrichtungen erfolgt. Es handelt sich um einen reziproken Effekt analog dem eines doppelbrechenden Mediums.

6098Ü9/0897

2 b 3 B 5 B 4

Man stellt fest, dass das Material, wenn man den Cotton-Mouton-Effekt betrachtet, sich nicht mehr isotrop verhält, d.h. dass nicht mehr ein einziger effektiver Brechungsindex (N in Fig 1) für den Wellenleiter in allen Richtungen vorhanden ist. Das drückt sich in den Dispersionskurven von Fig. 2 durch das Vorhandensein von zwei Asymptoten aus, von denen die eine, N ,, in dem Beispiel von Fig. 3 dem Brechungsindex in der Oy-Richtung und der TE-Mode entspricht, und von denen die andere, N -, dann dem Brechungsindex in der Ox-Richtung und der TM-Mode entspricht. Die Folge dieser Anisotropie ist, dass sich die beiden Kurven in einem Punkt D mit dem Abszissenwert N-, und dem Ordinatenwert W, schnei-

d α

den. Diesem Schnitt entspricht eine einzige Ausbreitungsgeschwindigkeit ß, (N, = V-), welche die Dicke W, des Wellenleiters 2 festlegt.

Es ist beispielsweise ein Umwandler hergestellt worden, dessen Wellenleiter 2 aus Yttrium-Eisen-Granat besteht und in einem Punkt D arbeitet, der einer Dicke W, in der Grössenordnung von 7 μκι entspricht.

Die Energieeingabe und -ausgabe erfolgt in herkömmlicher Weise beispielsweise mit Hilfe von Prismen 3 und 4. Aufgrund der Totalreflexionserscheinung an der Grenzfläche des Brechungssystems Wellenleiter 2/Luft, die für die Ausbreitung der Energie in dem Wellenleiter erforderlich ist, ist es nämlich nicht möglich, diese Energie durch einfache Brechung einzuführen. Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform benutzt man ein Prisma 3, dessen Basis gegenüber der Oberseite des Wellenleiters 2 in einem Abstand angeordnet ist, der höchstens in der Grössenordnung der Wellenlänge der Energie liegt. Ein Bündel 10 monochromatischer und kohärenter Strahlungsenergie, welches beispielsweise van einem Laser ausgesandt wird, fällt auf eine Seite des Prismas mit einem

B09809/0897

deraritgen Einfallswinkel, dass für dieses Bündel an der Innenseite der Basis des Prismas Totalreflexionsbedingungen vorliegen.

Bekanntlich erfolgt unter diesen Bedingungen eine Energieübertragung von dem Prisma 3 zu dem Wellenleiter 2 mittels abklingender Wellen, die dann zwischen dem Prisma und dem Wellenleiter erzeugt werden.

Die Entnahme der Energie des Wellenleiters 2 erfolgt dann in derselben Weise durch eine Kopplung zwischen dem Wellenleiter 2 und einem zweiten Prisma 4, welches auf dem Wellenleiter wie das Prisma 3 angeordnet ist, wobei diese Kopplung durch die abklingenden Wellen erfolgt, die bei den Totalreflexionen erzeugt werden, welche an der Grenzfläche Wellenleiter 2/Luft stattfinden.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform ist die Magnetisierung M der ferrimagnetischen Schicht immer normal zu der z-Acnse, liegt aber in der xy-Ebene und bildet mit der y-Achse einen Winkel α in der Grössenordnung von 45 . Diese Orientierung wird mit Hilfe von äusseren Magnetfeldern (nicht dargestellt) erreicht, die entsprechend der x- und y-Achse gerichtet sind, wobei das der y-Achse entsprechende Feld erforderlich ist, um die Magnetisierung M in der xy-Ebene zu halten.

Die Art der Herstellung der ferrimagnetischen Schicht 2, also die Epitaxie,verursacht nämlich eine Anisotropie der Schicht in ihr selbst, d.h. dass ihre Struktur mehr einachsig als kubisch ist, was, wie die Erfahrung zeigt, zur Folge hat, dass sich ein hoher Umwandlungswirkungsgrad ergibt, und ausserdem erlaubt, Bedingungen herzustellen, unter denen der Umwandlungswirkungsgrad maximal ist. Die Rechnung zeigt

b09809/0897

nämlich, dass dieser Wirkungsgrad von sin 2a abhängig ist, d.h. dass er maximal ist, wenn die Magnetisierung M in der xy-Ebene mit der y-Achse einen Winkel von 45 bildet, was durch die Erfahrung bestätigt wird.

Auf diese Weise erzielt man einen Umwandlungswirkungsgrad von etwa 50 % für eine Ausbreitungslänge (zwischen den Prismen 3 und 4) in der Grössenordnung von 10 mm und für eine Dicke der Schicht in der Grössenordnung von 4,5 μηα, wobei der Brechungsindex der Schicht gleich 2,15 ist.

Der Umwandler nach der Erfindung kann insbesondere zur Herstellung einer nichtreziproken Verbindung,wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, oder allgemeiner eines Zirkulators verwendet werden.

Es sei daran erinnert, dass man unter einer nichtreziproken Verbindung eine Verbindung versteht, die die Ausbreitung von Wellen nur in einer einzigen Richtung erlaubt, und dass man unter einem Zirkulator eine Übertragungsanordnung mit gewöhnlich drei Wegen versteht, bei welchem eine elektromagnetische Welle, die über einen als Eingangsweg gewählten Weg eintritt, zu einem einzigen Ausgangsweg übertragen wird, der dem ersten Weg benachbart ist.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild, in welchem ein Modenselektor 20, der einen Eingang 24 hat, über einen Verbindungsweg 23 mit einem nichtreziproken Element 21 verbunden ist, das seinerseits über einen Verbindungsweg 24 mit einem reziproken Element 22 verbunden ist, welches über einen Verbindungsweg 26 mit Aussen verbunden ist.

Wenn man Energie, die sich in einer ersten Mode, beispielsweise

Ö098Ü9/0897

l b J S 5 G 4

der TE-Mode, ausbreitet, dem Eingang 24 des Modenselektors 20 zuführt, hat dieser die Aufgabe, diese Energie ohne Verfälschung zu dem Element 21 zu übertragen. Das nichtreziproke Element 21 und das reziproke Element 22 bewirken beide eine Umwandlung einer einzigen Mode an dem Eingang in zwei Moden derselben Intensität, deren relative Phasenverschiebung aber für das nichtreziproke Element 21 Null und für das reziproke Element 22 gleich π oder Null ist, je nachdem, ob die Energie an dem Verbindungsweg 24 oder 26 empfangen wird. Aus diese Weise bleibt eine dem Eingang 23 zugeführte TE-Mode an dem Ausgang 26 eine TE-Mode, während aber eine dem Eingang 26 zugeführte TE-Mode auf dem Verbindungsweg 23 in eine TM-Mode umgewandelt ist. Der Modenselektor 20 hat dann die Aufgabe, diese TM-Mode zu absorbieren.

Zu diesem Zweck wird das Element 21 vorzugsweise mit Hilfe eines Wellenleiters aus ferrimagnetischem Material hergestellt, das in einer Richtung magnetisiert ist, die eine Komponente in der Ausbreitungsrichtung der Energie hat, damit der Faraday-Effekt ausgenutzt wird, die aber ausserdem eine zu der Ausbreitung normale Komponente hat, damit die von dem Cotton-Mouton-Effekt herrührende anisotrope Struktur erzielt wird. Es ist anzumerken, dass die Umwandlung durch den Cotton-Mouton-Effekt die Umwandlung durch den Faraday-Effekt quantitativ nicht wesentlich stört. Das Element 21 kann ausserdem mit einem Wellenleiter aus ferrimagnetischem Granat (z.B. Yttrium-Eisen-Granat) hergestellt werden, der durch Epitaxie auf einem Substrat aus nichtmagnetischem Granat (z.B. Gadolinium-Gallium-Granat) gebildet wird, dessen Magnetisierung parallel zu der Ausbreitungsrichtung der Energie gerichtet ist, wobei die .epitaktisch aufgewachsene Struktur dank ihrer eigenen Anisotropie, wie oben dargelegt, ermöglicht, dass durch den Faraday-Effekt ein

609809/0 897

zufriedenstellender Umwandlungswirkungsgrad erzielt wird. Beispielsweise wird mit einem in der Ausbreitungsrichtung der Energie angelegten Magnetfeld in der Grössenordnung von etwa Zehn Oersted ein Modenumwandlungsverhältnis von etwa 75 % für eine Wechselwirkungslänge in der Grössenordnung von 6 mm erzielt. Das reziproke Element 22 wird mit Hilfe einer Anordnung hergestellt, die der nach der Erfindung
analog ist und einen Energieleiter enthält, der aus ferrimagnetischem Granat gebildet ist, welcher in einer zu der Ausbreitungsrichtung senkrechten Richtung magnetisiert ist.

Man stellt fest, dass die in Fig. 4 schematisch dargestellte Anordnung eine nichtreziproke Verbindung für die TE-Mode darstellt, welche Energie nur in einer einzigen Richtung überträgt.

Ausserdem ist es möglich, dieselbe Anordnung zu verwenden, um die beiden Elemente 21 und 22 herzustellen: es genügt, die Magnetisierung schräg gegen die Ausbreitungsrichtung zu
richten, damit die Faraday- und Cotton-Mouton-Effekte kumuliert werden können.

b 0 9 8 Ü 9 / (1 8 9 7

Claims

- ¹² - . 2 b 3 5 5 6

Patentansprüche :

Anordnung zur Umwandlung der Ausbreitungsmode von Strahlungsenergie von einer ersten Mode in eine zweite Mode unter Ausnutzung magnetooptischer Effekte, mit einer Schicht aus einem ferrimagnetischen Material, in der die Strahlungsenergie in der ersten Mode fortgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung der Schicht zumindest eine Komponente in einer zu der Ausbreitungsrichtung der Strahlungsenergie normalen Richtung hat und dass die Schicht eine solche Dicke hat, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Strahlungsenergie in der ersten oder der zweiten Mode im wesentlichen gleich sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ferr!magnetische Material ein ferr!magnetischer Granat ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ferr!magnetische Granat ein Yttrium-Eisen-Granat ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus ferrimagnetischem Material auf ein Substrat aufgebracht ist, welches aus einem Gadolinium-Gallium-Granat besteht.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus ferrimagnetischem Material durch Epitaxie hergestellt wird, so dass sie anisotrop ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung in einer zu der Ebene der Schicht im wesentlichen parallelen Richtung orientiert ist.

609809/0897

-is- 2b35564
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Magnetisierung im wesentlichen in einer Ebene liegt, die zu der Ausbreitungsrichtung der Strahlungsenergie normal ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Magnetisierung mit der Ebene der Schicht einen Winkel von im wesentlichen 45° bildet.
9. Nichtreziproke Verbindung, gekennzeichnet durch einen Modenselektor, durch ein nichtreziprokes erstes Element, welches mit einem ersten Weg des Modenselektors in Kaskade verbunden ist und ein Substrat enthält, auf welchem durch Epitaxie eine Schicht aus einem ferrimagnetischen Material aufgebracht ist, in der sich strahlungsenergie ausbreiten kann, durch ein reziprokes zweites Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welches mit dem ersten Element in Kaskade verbunden ist, und dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element und das zweite Element eine Eingangsmode in zwei Moden umwandeln, welche im wesentlichen dieselbe Intensität haben, von denen aber eine Mode gegenüber der anderen eine vorbestimmte Phasenverschiebung aufweist, dass der Modenselektor ohne Verschlechterung eine über einen zweiten Weg empfangene erste Mode zu dem ersten Weg überträgt, wobei die Phasenverschiebungen so sind, dass die dem als Eingang verwendeten Ausgang des zweiten Elements zugeführte erste Mode nach dem Hindurchgang durch das erste Element und das zweite Element in eine zweite Mode umgewandelt ist, und dass der Modenselektor die auf dem ersten Weg empfangene zweite Mode absorbiert.

609809/0 897