DE2614141A1

DE2614141A1 - Optischer wellenleiter

Info

Publication number: DE2614141A1
Application number: DE19762614141
Authority: DE
Inventors: Didier Challeton; Philippe Coeure; Jean-Pierre Jadot; Jean-Claude Peuzin
Original assignee: Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR; Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Bpifrance Financement SA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1975-04-02
Filing date: 1976-04-01
Publication date: 1976-10-21
Also published as: FR2306457B1; NL7603253A; JPS51123169A; GB1529266A; FR2306457A1; US4047801A

Description

P 10 282

1. April 1976

COMMISSARIAT A L¹ENERGIE ATOMIQUE

29, rue de la Federation, 75752 Paris, Frankreich

AGENCE NATIONALE DE VALORISATION DE LA RECHERCHE - ÜTVAR -

13, rue Madeleine Michelis, 92522 NEUILLY-sur-SEINE, Frankreich

Optischer Wellenleiter

Die Erfindung "betrifft einen optischen Wellenleiter aus einer Schicht einer Stärke e^ aus einem magnetisierbaren Material mit einem im wesentlichen konstanten optischen Brechungsindex n.., die von zwei Medien umgeben ist, deren optische Brechungsindices kleiner als der Brechungsindex n* sind.

Gegenstand der Erfindung ist insbesondere ein optischer Wellenleiter mit über die Stärke der Schicht verteilter Gyrotropie. Ein derartiger Wellenleiter wird dazu verwandt, ent-

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weder den Wert des Kopplungskoeffizienten zwischen zwei Fortpflanzungsarten elektromagnetischer Wellen im Leiter zu erhöhen oder die auf eine gegebene Anregung folgende Änderung der Phasengeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle gegebener Art im Leiter zu vergrößern, wobei die Wellenlänge der sich fortpflanzenden Wellenarten im optischen Bereich liegt.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen optischen Leiter, der zum Zusammenführen und Umwandeln der Fortpflanzungsarten von elektromagnetischen Wellen im Bereich der optischen Wellenlängen verwandt wird. Es ist bekannt,, daß sich Licht in einem optischen Wellenleiter in sogenannten 'Leitungsmoden" in einer zur Fortpflanzung elektromagnetischer Wellen aus dem Hertz¹ sehen Wellenbereich im Innern von Wellenleitern mit metallischen Wänden ähnlichen V/eise fortpflanzen kann.

Die mit der Fortpflanzung und der Steuerung der sich in optischen Wellenleitern fortpflanzenden Lichtbündel zusammenhängenden Erscheinungen, die im allgemeinen durch die dünnen dielektrischen Schichten begründet sind, sind zum gegenwärtigen Zeitpunkt Gegenstand beträchtlicher Forschungsanstrengungen. Das Ziel dieser Forschungen ist es, diese Wellenleiter für Nachrichtenverbindungen und Informationsübertragungen im optischen Bereich zu verwenden. Die Informationsübertragung im optischen Bereich ist bezüglich der Übertragung im Hertz'sehen Bereich vorteilhaft, da die wesentlich höhere Frequenz der optischen Schwingungen eine Modulierung in einem Frequenzband um die Trägerfrequenz herum erlaubt, das einige tausend Male größer als im Hertz'sehen Bereich ist. Darüberhinaus hat die Entwicklung des Lasers die Erzeugung von Lichtbün-

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dein wesentlich erleichtert, die geführt bzw. geleitet werden können.

Die verwandten Wellenleiter bestehen im allgemeinen aus einer transparenten Schicht C^ mit einem Brechungsindex n^ und einer Stärke e., in der Größenordnung von einigen μ, die auf einem gleichfalls transparenten Substrat liegt, dessen Brechungsindex n^ < n-j ist. Dieses Medium mit einem kleineren Brechungsindex als der Brechungsindex der transparenten Schicht C^ dient als Trägermaterial.

Gleichfalls sollte das Medium C₃ über der Schicht C₁ einen Brechungsindex n^ haben, der kleiner als der Brechungsindex n* der Schicht C. ist. Dieses Medium kann ganz einfach die Luft sein, es kann jedoch auch eine dielektrische Schicht verwandt werden, damit sich ein Wellenleiter ergibt, der hauptsächlich aus der Schicht C. besteht und eine höhere mechanische Festigkeit und eine bessere Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Einflüssen hat. Der höhere Brechungsindex n,. der Schicht C«. hat zur Folge, daß die sich in dieser Schicht fortpflanzenden Wellen an der oberen und unteren Grenzfläche der Schicht C* total reflektiert werden und somit zusammengehalten und geführt werden.

Für eine genaue Beschreibung der Fortpflanzung dieser Wellen in dielektrischen Schichten wird vorzugsweise auf "Guided Wave Optics", Proceedings of the I.E.E.E., Band 62, Nr. 8 und "Journal of Applied Physics", Band 45, Nr. 2, verwiesen. Alle näheren Angaben bezüglich der Fortpflanzungsarten können aus diesen beiden Druckschriften entnommen werden, die einen Teil der vorliegenden Beschreibung bilden.

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In diesen Wellenleitern können sich zwei Gruppen von Wellenarten fortpflanzen, nämlich die transversal elektrischen H-Wellen (TE) und die transversal magnetischen Ε-Wellen (TH). Das sind die "beiden möglichen Polarisationen einer Lichtwelle. Für jede dieser Polarisationen können verschiedene wellenarren bzw. Wellenmoden, nämlich die Arten bzw. Moden 0, 1, 2 usw. existieren. Im folgenden wird zur Vereinfachung der Rechnungen der Pail eines Wellenleiters mit in y-Richtung unendlicher Ausdehnung betrachtet. Die Erfindung betrifft allerdings Wellenleiter mit endlichen Abmessungen, beispielsweise mit rechtwinkligem, kreisförmigem oder einem anderen Querschnitt, für die die Rechnungen komplizierter, Jedoch ersichtlich von der gleichen Art sind.

Wenn sich zwei Wellenarten, nämlich die transversal elektrische Η-Welle und die transversal magnetische E-Welle in einem Wellenleiter fortpflanzen, ist es oftmals notwendig, eine Wellenart anzuregen und die Energie einer Wellenart auf eine andere zu übertragen. Das ist für das Problem der !Commutation bzw. Umschaltung und der Verwendung dieser Wellenarten am Ausgang des Wellenleiters, beispielsweise bei der Verwirklichung von integrierten optischen Schaltungen von Bedeutung. Aus denselben Gründen ist es gleichfalls oft notwendig, die Fortpflanzungsgeschwindigkeit einer gegebenen Wellenart zu verändern, ohne beide Wellenarten miteinander zu koppeln.

Diese beiden Arbeitsweisen können in unterschiedlicher Weise und aufgrund verschiedener Anregungen vollzogen werden. Insbesondere können der elektro-optische Effekt, der in einer Änderung des Brechungsindex eines Materials unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes besteht, oder der magneto-optische Effekt ausgenutzt werden, der den Einfluß

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einer Magnetisierung auf den optischen Brechungsindex überträgt.

Bisher wurde der magneto-optische Effekt zur Kopplung der Wellenarten in den Schichten verwandt, wobei die Magnetisierung nahezu in der Richtung senkrecht zu den Begrenzungsflächen der Schicht C,. konstant war, in der sich die optischen Wellen fortpflanzen.

Gegenstand der Erfindung ist ein optischer Wellenleiter der eingangs genannten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Schicht mehrere nebeneinander liegende Bereiche umfaßt, die zueinander parallele Schichten bilden, und daß die Schicht zwei ebene parallele Oberflächen aufweist, die die Schicht von den beiden Medien trennt, deren Brechungsindex kleiner als der Brechungsindex n^ ist, und daß die Gyrotropie von wenigstens zwei der nebeneinander liegenden unterschiedlichen Bereiche verschieden ist.

Der erfindungsgemäße optische Wellenleiter wird von einer Schicht C. der Stärke e^ aus einem magnetisierbaren Material mit dem optischen Brechungsindex n^ gebildet, die von zwei Medien umgeben ist, deren optischer Brechungsindex kleiner als der Brechungsindex n^ ist, wobei die Schicht C₁ mehrere nebeneinander liegende Bereiche mit im wesentlichen dem gleichen Brechungsindex n>j umfaßt, deren Magnetisierungsrichtungen oder magneto-optischen Eigenschaften jedoch unterschiedlich sind.

Mehr allgemein ausgedrückt weist der erfindungsgemäße optische Wellenleiter eine verteilte Gyrotropie über die Stärke der Schicht auf. Mittels der verteilten Gyrotropie ist eine Änderung eines oder mehrerer Parameter <f längs

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der Dicke der Schicht beabsichtigt, die nicht diagonale Komponenten des für das Material, das die Schicht C. bildet, kennzeichnenden Tensors der Dielektrizitätskonstante sind. Diese Änderung der Gyrotropie kann entweder eine Folge einer Änderung der chemischen Zusammensetzung des Materials oder häufiger einer Drehung des Vektors der remanenten Magnetisierung im Material sein.

Wie es sich aus dem Folgenden ergeben wird, ermöglicht diese sich ändernde Gyrotropie längs der Stärke der Schicht C. eine viel wirksamere Kopplung der Wellenarten, die im die Schicht C₁ bildenden Material bestehen. In dieser Weise können die nicht diagonalen Komponenten des Tensors der Dielektrizitätskonstante derart gewählt und angepaßt werden, daß für zwei gegebene Arten geometrischer Konfigurationen oder Gestaltungen entweder der Kopplungskoeffizient K zwischen beiden Arten oder bei nur einer gegebenen Art die Änderung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit als Folge einer gegebenen Anregung optimiert sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wellenleiters besteht insbesondere die Schicht C₁

1 aus parallelen, nebeneinander liegenden Schichten C₁,

CT Ct, wobei die Magnetisierungsrichtungen in diesen verschiedenen Schichten senkrecht zueinander liegen. Die Zahl der Schichten kann im allgemeinen auf zwei Schich-

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ten C₁ und C₁ begrenzt sein.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel des Wellenleiters besteht insbesondere die Schicht C₁ aus parallelen und

12 i nebeneinander liegenden Schichten C₁, C₁ C₁, deren

Magnetisierungsrichtungen parallel zueinander liegen, deren magneto-optischen Eigenschaften jedoch beispielsweise dadurch unterschiedlich sind, daß sie aus verschiedenen

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Materialien bestehen.

Bei diesen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird entweder die Magnetisierung, die Beschaffenheit und die

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Stärke der Schichten Cj und C^ bestimmt, um den Kopplungskoaffizienten K zwischen zwei gegebenen Fortpflanzungsarten, beispielsweise den Grundschwingungsarten, zu optimieren, wobei die Beschaffenheit und die Magnetisierung der Schichten den Wert der nicht diagonalen Komponenten des Tensors der Dielektrizitätskonstante bestimmen und die Stärken der Schichten eine Anpassung dieser Werte für eine Wechselwirkung dieser einzelnen Wellenarten erlauben, oder werden dieselben Größen bestimmt, um die Änderungsgeschwindigkeit der Fortpflanzungsgeschwindigkeit einer gegegebenen Wellenart als Folge einer gegebenen Anregung zu optimieren.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1a, 1b, 1c und 1d zeigen verschiedenen Magnetisierungsrichtungen der Schicht C₁ und die Komponenten <Tij des zugehörigen Tensors der Dielektrizitätskonstante.

Fig. 2a und 2b zeigen die Form der gekoppelten Felder für die O-te Ordnung im Fall einer longitudinalen Magnetisierung sowie die möglichen Werte von cfxy.

Fig. 3a, 3b und 3c zeigen die Form der gekoppelten Felder für die 0-te Ordnung im Fall einer polaren Magnetisierung sowie die vorteilhaften Werte für die Komponente <f yz.

Fig. 4a, 4b und 4c zeigen die Form der gekoppelten Felder für die Ε-Welle 0-ter Ordnung im Fall einer äquatorialen Magnetisierung sowie die vorteilhaften Werte der Komponente <fxz.

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Fig. 5a und 5b zeigen ein Ausführungsbeispiel des Wellenleiters mit zwei magnetischen Schichten sowie die Werte der Komponenten des zugehörigen Tensors der Dielektrizitätskonstante.

Fig. 6a und 6b zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel des Wellenleiters mit zwei magnetischen Schichten so.wie die Werte der Komponenten des zugehörigen Tensors der Dielektrizitätskonstanten.

Fig. 7 zeigt das Grundprinzip eines einseitig gerichteten Wandlers für die Wellenarten.

Fig. 8 und 9 zeigen die Ausführung eines Isolators.

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Wie bereits erwähnt, erlaubt die Schichtstruktur des erfindungsgemäßen Wellenleiters eine Optimierung der Kopplung zwischen den beiden sich im Wellenleiter fort-* pflanzenden Wellenarten. Die Kopplung zwischen den beiden Wellenarten kommt mittels des Tensors der Dielektrizitätskonstanten des Materials zustande, der den Vektor der elektrischen Induktion D mit dem elektrischen Feld E verbindet. Wenn ein magnetisches Feld in einem magnetooptischen Medium, beispielsweise einem ferro- oder ferrimagnetischen Medium, vorhanden ist, von dem zur Vereinfachung der Analyse angenommen wird, daß es eine kubische Symmetrie hat, lautet der Tensor der Dielektrizitätskonstante :

15 a. . =

ⁿ1 -ißxy

■χδ xz

χδχζ

Die diagonalen Komponenten sind gleich dem Quadrat des Brechungsindex (in diesem Fall n^) und die nicht diagonalen Komponenten sind rein imaginär. Darüberhinaus ist der Tensor bezüglich der Hauptdiagonale antisymmetrisch. Es versteht sich von selbst, daß die Vereinfachung auf einen Kristall mit kubischer Symmetrie nicht bezeichnend ist und zur Erläuterung der Rechnungen dient. Die Kreuzkomponenten <fij gehören zu den magneto-optischen Effekten. Sie sind von der Magnetisierungsrichtung in einem gegebenen Material und selbstverständlich von der Art des Materials abhängig.

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Die Kopplung zwischen beiden Wellen, d.h. die Energieübertragung von einer Welle auf die andere erfolgt proportional zu einem Kopplungskoeffizienten K, der sich wie folgt ausdrücken läßt:

K = ( D.E. dV, wobei V das Volumen ist, in

V
dem sich

die Wechselwirkung vollzieht.

Bei gegebener Verteilung der elektrischen Felder, die von den verschiedenen Wellenarten herrühren, und mit der Beziehung D- = a. .E. wird man sich bemühen, den Wert dieses Integrals, das den Kopplungskoeffizienten K gibt, zu optimieren, um die Energieübertragung von einer Wellenart zur anderen zu verwirklichen. Dieser Kopplungskoeffizient K ist proportional dem Wert der elektrischen Wechselwirkungsenergie, die im Material gespeichert ist.

In den Fig. 1a, 1b und 1c sind verschiedene Formen des magnetischen Feldes in der Schicht C^, nämlich jeweils ein longitudinales, ein äquatoriales und ein polares Feld dargestellt, und in Fig. 1d sind die nicht diagonalen Koeffizienten cf des Tensors der Dielektrizitätskonstange aufgeführt, die zu diesen verschiedenen Formen des magnetischen Feldes gehören.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Schicht C, dadurch gebildet, daß die in den Fig. 1a, 1b und 1c dargestellten unterschiedlichen Schichten C₁ nebeneinander liegen, deren Orientierungsbereiche senkrecht zueinander verlaufen.

Im Falle eines longitudinalen Feldverlaufes ist der Kopplungskoeffizient K zwischen „der E- und der H-Welle

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proportional einem Integral:

α ίδ

6xy Ef, (χ) EC (χ) dx (D

wobei E (χ) und E (χ) die elektrischen Felder bezeichnen, , die jeweils zu der TE- und TK-Mode (H- und E-Velle) gehören.; Die Indices y und χ bezeichnen die Komponenten dieser Felder. in y- und x-Richtung. Die Werte dieser elektrischen FeI- j der lassen sich mit Hilfe der Maxwell¹ sehen Gleichungen ! bestimmten und sind für die in Betracht stehenden Fort- . pflanzungsarten charakteristisch. Für die Fortpflanzungs- ' artO-ter Ordnung haben diese Funktionen einen Verlauf, ^! der in Fig. 2a dargestellt ist.

e h

In diesem Fall haben die Felder E und E im Intervall -^, + coj dasselbe Vorzeichen, so daß folglich der Maximalwert des Integrals der Energie (I) bei einer gleichmäßigen Verteilung von <T xy in x-Richtung erhalten wird. Wenn diese gleichmäßige Verteilung beseitigt wird, nimmt der Kopplungskoeffizient ab. Bei einer Verteilung, wie sie in Fig. 2b dargestellt ist, verliert man somit etwa einen Faktor 2 am Wert des Kopplungskoeffizienten K. Im Fall eines longitudinalen Feldes ist somit eine verteilte Gyrotropie von keinem großen Interesse.

Im Falle eines polaren Feldes, wie es in Fig. 1c dargestellt ist, ist andererseits der Kopplungskoeffizient proportional einem Integral (II):

Ka J Sy₂ Ey (x) E^ (x) dx (II)

Die Fig. 3a zeigt den Verlauf der Verteilung der Kom-60984370777

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ponenten Ε® (χ) und E₂ (χ) im Fall der Fortpflanzungsart O-ter Ordnung. Es ist festzustellen, daß die Funktion E einen Nulldurchgang hat und das Vorzeichen an einem Punkt M ändert, der merklich im Medium der Schicht C₁ liegt. Darüberhinaus ist die Funktion E® praktisch symmetrisch "bezüglich des Punktes M, während die Funktion E₂ praktisch anti-symmetrisch bezüglich dieses Punktes ist. Das hat zur Folge, daß dann, wenn cfyz konstant ist, das durch das Integral gelieferte Produkt sehr nahe bei 0 liegt. Wenn andererseits cfyz entsprechend Fig. 3b verteilt ist, d.h. wenn ein Nulldurchgang auftritt und sich das Vorzeichen der Magnetisierung ändert, hat das Integral (II) einen Maximalwert.

Eine andere annehmbare Verteilung <f yz ist in Fig. 3c dargestellt. Bei dieser Verteilung wird die Kopplung zweimal kleiner als im vorhergehenden Fall sein, was interessant bleibt und in bestimmten Fällen leichter zu verwirklichen ist. Somit erlaubt im Falle eines polaren Feldes eine verteilte Glyrotopie eine Maximalisierung des Kopplungskoeffizienten zwischen der E- und H-Welle.

Wie bereits erwähnt, erlaubt der Schichtaufbau des erfindungsgemäßen optischen Wellenleiters ebenfalls, Änderungen der Phasengeschwindigkeit zu optimieren, was bei einer gegebenen Anregung zur Folge hat, daß sich nur eine Art im Leiter fortpflanzt. Das wird im Falle der äquatorialen Form von Fig. 1b jederzeit erhalten, wobei der Beitrag Δ ß aufgrund des Magnetismus an der Fortpflanzungskonstante gegeben ist durch:

Δβα J δχγ eJJ (χ) E^ (χ) dx (III)

'■I

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wobei Δ ß die Änderung des Wertes des Wellenvektors der Ε-Welle aufgrund des magneto-optischen Effektes ist, und wobei die Feldkomponenten, die einen Einfluß haben, allein diejenigen ein und derselben E-Welle sind. Fig. 4a zeigt die Verteilung der Felder ΈΓ und E^ im Querschnitt des Leiters im Fall der Fortpflanzungsart O-ter Ordnung. Wie im Vorhergehenden ist ersichtlich, daß beide Funktionen nahezu orthogonal sind, und daß daher der Wert des Integrals nahe bei 0 liegt, wenn oxz konstant ist. Hier ermöglicht wieder eine Verteilung von Sxz der in den Fig. 4b und 4c dargestellten Art eine Optimierung des Wertes des Koeffizienten Δβ.

In Fig. 5a ist ein Ausführungsbeispiel des Leiters dargestellt, bei dem die verteilte Gyrotropie durch eine Drehung der Magnetisierung in einem Material einheitlicher chemischer Zusammensetzung erhalten wird. Dieser Leiter umfaßt eine Schicht C₁, die aus zwei nebeneinander

liegenden Schichten C. und C^ mit gleichem Brechungsindex η,, besteht, die von zwei Schichten C~ und C-, eingeschlossen ist, deren Brechungsindices n^ und n^ jeweils kleiner als der Brechungsindex n>. sind, den die beiden Schichten

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Cy. und C, haben. Die Werte der Brechungsindices η in Abhängigkeit von dem Abszissenwert χ sind in der zur Fig. 5a gehörenden Fig. 5b dargestellt. Die Koeffizienten <Γχζ und ifyz des Tensors der Dielektrizitätskonstante ändern sich in der durch die Kurven 10 und 12 in Fig. 5b dargestellten Weise. In Fig. 5a sind ebenfalls die Orientierung der jeweiligen Magnetisierungen M^ und Vi^ und die Polarisationen der E- und Η-Wellen dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht das Substrat C, aus einem Gadoliniumgallat-Einkristall und ist die Schicht C₁ durch epitaxiales Wachstum aus der flüssigen Phase auf einer polierten Oberfläche des Substrates C, in

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der kristallographischen Richtung <111> ausgebildet. Die chemische Zusammensetzung der Schicht C₁ ist Gd_{Q 5}Y_{2 5}Fe^ 08^Ga0 92°12* ^{Ihre stärke} beträgt e^ + e₂ = 4 μ. Die Drehung der Richtung der Magnetisierungen M₁ und M₂ wird durch Ionenimplantation erhalten. Die verwandten Ionen sind Protonen mit einer Energie von 300 keV in einer Dosis von 5· 10 Ionen/cm². Das ermöglicht eine Einstellung der Werte von e^ und e₂ auf 2 μ.

Die Magnetisierungsrichtungen liegen durch die Wirkung der permanenten magnetischen Felder fest, die in einfacher Weise durch kleine Permanentmagneten erzeugt werden können.

In Fig. 6a ist ein Ausführungsbeispiel des Leiters dargestellt, bei dem eine verteilte Gyrotropie dank zweier chemisch verschiedener Materialien erhalten wird, die je~ doch im wesentlichen den gleichen Brechungsindex n^ haben.

Der Leiter umfaßt eine Schicht C₁, die aus zwei Schichten 1 2

Cj, C₁ mit parallelen Magnetisierungen M₁ und M₂ besteht.

Das Substrat C^ ist ein Gadoliniumgallat-Einkristall,und die Schicht C₁ ist durch epitaxiales Wachstum aus der flüssigen Phase auf der polierten Fläche <111> des Substrates C-z ausgebildet. Die chemische Zusammensetzung der Schicht C₁ ist Gd_{Q 6}Y_£ ^Fe₄ ^Gd₀ ^₁₂· Die Stärke e^ der Schicht C₁ ist gleich 2 μ und die Stärke der Schicht C², die durch das gleiche Verfahren, wie die Schicht C₁, jedoch unter Verwendung eines anderen Bades aufgebracht ist, ist ebenfalls gleich 2 μ. Die chemische Zusammensetzung der Schicht C² ist Yb₂ ^Pr₀ ^ 7-Fe^Ga₁0₁₂. Der Kopplungskoeffizient cfxy ändert sich in der in Fig. 6b dargestellten Weise für dieselbe Magnetisierungsrichtung in beiden Materialien der Schichten C₁ und C₁. In diesem Fall ist die Zusammensetzung der beiden Ma-

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terialien, aus denen die Schichten C^ und CT bestehen, verschieden.

Die Erfindung ermöglicht bei einer beträchtlichen Erhöhung der Kopplung der Wellenarten um einen Faktor von 100 bis 1000 bei den polaren und äquatorialen Feldforraen die Verwendung von Wellenleitern als Wellenkopplungen bei einer Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten. Für alle diese Anwendungsmöglichkeiten wird auf den Aufsatz in Journal of Applied Physics, Band 45, Nr. 2, verwiesen. In diesem Aufsatz werden Konstruktionen mit nicht umkehrbarer Wirkung beschrieben, die bei einer geführten Optik verwendbar sind. Diese .Konstruktionen haben Eigenschaften, die von der Fortpflanzungsrichtung des Lichtes abhängen. Wie es in diesem Aufsatz beschrieben wird, kann in einem Leiter ein einseitig gerichteter Wellenwandler verwirklicht werden, so daß eine Η-Welle, die an einer Eingangsfläche 20 eintritt, vollständig in eine Ε-Welle an der Ausgangsfläche 22 umgewandelt werden kann und eine Η-Welle, die an der Fläche 22 eintritt, aus der Fläche 20 ohne Änderungen austreten kann. Dieser Aufbau ist schematisch in Fig. 7 dargestellt. Wie es in dem oben genannten Aufsatz dargestellt ist, umfaßt dieser Wandler drei aufeinanderfolgende Abschnitte der Länge L₁, Lg, L-z, in denen die Magnetisierungen zwischen 20 und 22 jeweils longitudinal, äquatorial und polar verlaufen. Die Verwendung von klassischen magneto-optischen Leitern, d.h. mit einer gleichmäßigen Gyrotropie über ihre Dicke, führt zu sehr ungleichen Längen L₁, Lg, L,, beispielsweise:

L₀ = L₇, = 100 bis 1000 L.. 2 3 1

Praktisch bedeutet das, daß die Gesamtlängen sehr groß und bei der den verwandten Materialien eigenen Absorption

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nicht zueinander passen. Im Gegensatz dazu führt die Verwendung von Leitern mit einer verteilten Gyrotropie zu Werten L^, L'₂, L¹ ^ im typischen Fall in der Größenordnung:

L¹^ ~ 2L^ ; L'₂ ^ L'^/^5 bis 10 L¹^.

Es ist ersichtlich, daß die Verhältnisse

um das 10- bis 200-fache kleiner sind. Das führt zu einer Gesamtlänge der Einrichtung, die wesentlich geringer ist. Zur Bestätigung dieser Auffassung ergibt eine numerische, in der vorliegenden Beschreibung nicht wiedergegebene Rechnung L₁ + L₂ + L^ = 600 mm und L'.j + L'₂ + L'^ = 15 mm. Es ist ersichtlich, daß die Erfindung eine durch den oben genannten Aufsatz beschriebene Einrichtung praktisch verwirklichbar macht.

In Fig. 8 ist gleichermaßen ein magneto-optischer Leiter 24 dargestellt, der zwei 180°-Magnetisierungsbereiche enthält, in denen die Magnetisierungsrichtungen parallel zur xz-Ebene des Leiters verlaufen. Die unendlich dünne Zwischenwand P parallel zur Ebene yz verläuft senkrecht zur Magnetisierungsrichtung. Das ergibt einen nicht umkehrbaren Reflektor, der eine Zwischenwand P zwischen beiden Bereichen ausnutzt. Bei Betrachtung der Fortpflanzung der Ε-Wellen in quasi äquatorialen Richtungen (Strahl 25), d.h. quasi parallel zur Zwischenwand P, zeigt die Theorie tatsächlich, daß für diese Wellen der effektive Brechungsindex η sich um Δ η ändert, wenn der Fortpflanzungssinn oder der Magnetisierungssinn geändert werden. Aus diesen Gründen verhält sich die Zwischenwand wie ein Diopter, an dem die Ε-Welle einer Reflexion 26 und einer Brechung 28 ausgesetzt ist. Das ist in der zugehörigen Fig. 8 dargestellt, die die Winkel G₁, Q~ und

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Q-,, die dem .einfallenden Strahl 25, dem reflektierten Strahl 26 und dem gebrochenen Strahl 28 entsprechen, sowie die entsprechenden effektiven Brechungsindices zeigt. Die Winkel Q^, G₂ und G-, sind nach dem Snellius'sehen Brechungsgesetz ermittelt:

η cos 9^ = (n + Δ n) cos θ-ζ

Es ist insbesondere ersichtlich, daß dann, wenn Δ η negativ ist, für G^ ein Grenzwert Qc besteht, unterhalb dessen der einfallende Strahl 25 durch die Zwischenwand total reflektiert wird:

Δη!

Andererseits kann ein sich in demgegenüber entgegengesetzte Richtung fortpflanzender einfallender Strahl 30 an der Zwischenwand nicht total reflektiert werden. Die Zwischenwand P wirkt wie ein nicht umkehrbarer Reflektor, und der Strahl 30 wird nicht total reflektiert und schließlich durch die Verluste in den beiden benachbarten Medien geschwächt. Wenn in der Praxis ein herkömmlicher Aufbau des Leiters ohne verteilte Gyrotropie verwandt wird, liegt der Wert von —-~ , den man zu verwirklicheen

-5 hoffen kann, in der Größenordnung von 10 . Das hat zur Folge, daß Gc = 0,18° ist, ein Wert, der in der Praxis nur schwierig zu verwenden ist. Im Gegensatz dazu ist durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Typs mit verteilter Gyrotropie ein Wert von —- = 10 möglich, was einen Wert Gc = 1,8° zur Folge hat. Dieser Wert ist für die Verwirklichung in der Praxis annehmbar.

In Fig. 9 ist die Zuordnung zweier Zwischenwände P und P^f für die Verwirklichung eines Isolators dargestellt.

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Die Ε-Welle 42, die bei bei B eintritt, wird durch Reflexion schlecht transportiert, da sie nicht total reflektiert wird. Im Gegensatz dazu wird die E-Welle 40, die bei A eintritt, durch Totalreflexion gut transportiert.

Es ist anzumerken, daß das anhand der Fig. 8 und 9 beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung zu einem Typ gehört, bei dem eine Änderung der Phasengeschwindigkeit einer Welle einer Art hervorgerufen wird, die angesichts einer Anregung bestimmt ist, die im vorliegenden statischen Fall durch das Vorhandensein der beiden 180°- Magnetisierungsbereiche begründet ist.

Die Erfindung kann gleichermaßen mit einer Einrichtung kombiniert werden, die in der FR-PS EN 75 10295 beschrieben ist, um die Kopplung zwischen den beiden Fortpflanzungsarten in der Schicht C^ zu optimieren.

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Claims

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Patentansprüche

J Optischer Wellenleiter aus einer Schicht einer .

■^ Stärke e., aus einem magnetisiertiaren Material mit einem im wesentlichen konstanten optischen Brechungsindex n^ ι, die von zwei Medien umgeben ist, deren optische Brechungsindices kleiner als der Brechungsindex n> sind, dadurch gekenn zeichnet, daß. die Schicht (C,) mehrere nebeneinander liegende Bereiche umfaßt, die zueinander parallele Schichten bilden, und daß die Schicht (G-,) zwei ebene parallele Oberflächen aufweist, die die Schicht (C.,) von den beiden Medien trennt, deren Brechungsindex kleiner als der Brechungsindex n^ ist, und daß die Gyrotropie von wenigstens zwei der nebeneinander liegenden unterschiedlichen Bereiche verschieden ist.
2. Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nebeneinander liegenden Bereiche der Schicht (C.) verschiedene magnetooptische Eigenschaften haben.
3. Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nebeneinander liegenden Bereiche der Schicht (C₁) verschiedene Magnetisierungsrichtungen haben.
4. Wellenleiter nach Anspruch 3» dadurch g e kennz eichnef, daß die nebeneinander liegenden Bereiche der Schicht (Cj) unterschiedliche che-

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mische Zusammensetzungen haben.
5- Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 "bis 3, der von

1 2 ⁷J i

Schichten C^j, C^, C;j, G^ gebildet ist, die parallel

sind und entlang !"lachen aneinander grenzen, die parallel zu einer Ebene jOZ, Ox, Oy und OZ liegen, die eine orthonormierte dreiseitige Pyramide bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierungsrichtung jeder Schicht (C^:) parallel zu einer der drei Achsen Ox, Oy und Oz liegt.
6. Wellenleiter nach Anspruch 5₅ der als Eopplungsmedium für zwei Portpflanzungsarten der Welle entalng der z-Achse in der Schicht C., nämlich der transversal elektrischen Η-Welle (TE) und der transversal magnetischen Ε-Welle (TM) verwandt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Stärken β_Λ , e.

3 i 'I)

e^ .... e. der Schichten und die Magnetisierungsrichtungen dieser Schichten in Abhängigkeit von den beiden bestimmten Portpflanzungsarten derart gewählt sind, daß der Wert des Kopplungskoeffizienten (K) zwischen der E- und der Η-Welle optimiert ist.
7- Wellenleiter nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei aneinandergrenzende Schichten (CJ und C-) aufweist, deren Stärke im wesentlichen gleich ist und die aus demselben magnetischen Material bestehen, wobei die Magnetisierungsrichtung in diesen beiden Schichten senkrecht zueinander liegen.
8. Wellenleiter nach Anspruch 7» dadurch gekenn zeichnet, daß die Schicht (C J) magnetisch längs der x-Achse und die Schicht- (Cf) magnetisch längs der y-Achse orientiert ist.

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9. Wellenleiter nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (C^) magnetisch längs

ρ '

der y-Achse und die Schicht (C^) magnetisch längs der z-Achse orientiert ist.
10. Wellenleiter nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (GJ₁) magnetisch längs

der x-Achse und die Schicht (C^) magnetisch längs der z-Achse orientiert ist.
11. Wellenleiter nach Anspruch 1, der von mehreren aneinander-

" Λ ρ 7. ή.

grenzenden Schichten C' C~, C;j, . C^ gebildet ist,

die Parallel zueinander sind, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß die jeweiligen Stärken e_A , e.

i Ii

e^. dieser Schichten und die Magnetisierungsrichtungen dieser Schichten in Abhängigkeit von der im Wellenleiter zu übertragenden Wellenart derart gewählt sind, daß der dem Magnetismus zukommende Beitrag zur Fortpflanzungskonstante dieser Art optimiert ist.
12. Optischer Wellenleiter aus einer Schicht (C.) mit einer Stärke e- aus einem magnetisierbaren Material mit einem im -wesentlichen konstanten optischen Brechungsindex η., das von zwei Medien umgeben ist, deren optische Brechungsindices kleiner als der Brechungsindex n^ sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (C.) mehrere Bereiche umfaßt, die entlang Ebenen aneinandergrenzen, die parallel zur Grenzfläche zwischen der Schicht (C.) und den diese Schicht umgebenden Medien verlaufen, wobei wenigstens einer der Werte der nicht diagonalen und nicht verschwindenden Komponenten des Tensors der Dielektrizitätskonstante für die Bereiche verschieden ist.

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13· Wellenleiter nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die nicht diagonale und nicht verschwindende Komponente iij des Tensors der Dielektrizitätskonstante immer das gleiche oder immer das entgegengesetzte Vorseichen wie das Produkt der elektrischen Peldkomponenten hat, die miteinander gekoppelt werden sollen.

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