RU173568U1 - Оптический изолятор на основе магнитофотонного микрорезонатора - Google Patents

Оптический изолятор на основе магнитофотонного микрорезонатора Download PDF

Info

Publication number
RU173568U1
RU173568U1 RU2017115075U RU2017115075U RU173568U1 RU 173568 U1 RU173568 U1 RU 173568U1 RU 2017115075 U RU2017115075 U RU 2017115075U RU 2017115075 U RU2017115075 U RU 2017115075U RU 173568 U1 RU173568 U1 RU 173568U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical
magneto
layers
active element
magnetically active
Prior art date
Application number
RU2017115075U
Other languages
English (en)
Inventor
Светлана Вячеславовна Елисеева
Сергей Геннадьевич Новиков
Дмитрий Игоревич Семенцов
Анатолий Михайлович Шутый
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет" filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет"
Priority to RU2017115075U priority Critical patent/RU173568U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU173568U1 publication Critical patent/RU173568U1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/09—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on magneto-optical elements, e.g. exhibiting Faraday effect
    • G02F1/093—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on magneto-optical elements, e.g. exhibiting Faraday effect used as non-reciprocal devices, e.g. optical isolators, circulators

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)

Abstract

Устройство относится к оптоэлектронике и может быть использовано как элемент оптической развязки на эффекте Фарадея для лазеров средней мощности. Конструктивное выполнение магнитооптической ячейки оптического изолятора обеспечивает многократное прохождение оптического луча в магнитоактивном элементе, который выполнен в виде расположенного в термостате тонкопленочного фотонно-кристаллического микрорезонатора типа интерферометра Фабри-Перо, состоящего из первого диэлектрического брэгговского зеркала с прямым чередованием слоев, слоя феррита с высокой магнитооптической добротностью и толщиной, кратной половине длины волны в среде, и второго диэлектрического брэгговского зеркала с инвертированным чередованием слоев. Внутри ячейки создается управляемое продольное (осевое) магнитное поле, которое намагничивает до насыщения слой феррита магнитоактивного элемента. Технический результат - повышение оптической прозрачности, увеличение срока службы и снижение массогабаритных характеристик. 4 ил.

Description

Технический результат - повышение потребительских свойств за счет снижения массогабаритных характеристик магнитоактивного элемента и всей магнитной системы в целом.
Известны многочисленные варианты магнитооптических вентилей, например, (RU 2319186, RU 2234114, РФ 2227927), работа которых основана на магнитооптическом эффекте Фарадея, заключающемся в невзаимном повороте плоскости поляризации оптического излучения в продольном магнитном поле. В большинстве случаев магнитооптический переключающий элемент с вращателем плоскости поляризации на эффекте Фарадея выполнен на магнитном одноосном кристалле.
Недостаток таких вентилей заключается в низкой лучевой стойкости одноосных кристаллов. При воздействии на оптический вентиль оптического излучения большой мощности магнитооптический ротатор (вращатель плоскости поляризации) нагревается, при этом уменьшается постоянная Верде (удельная вращательная способность), что приводит к снижению коэффициента пропускания оптического вентиля в прямом направлении и повышению коэффициента пропускания в обратном направлении.
Близким к предлагаемой полезной модели является устройство «Магнитооптофотонный кристалл на основе мультислойной структуры с большим фарадеевским вращением в видимом диапазоне» (патент US 20090219602 А1), которое представляет собой многослойную ФК структуру на основе магнитных и немагнитных слоев. Структура содержит несколько нарушений периодичности (дефектов), состоящих в изменении порядка следования слоев. Варьируя количество таких дефектов и число магнитных слоев между дефектами, авторы получают структуру, способную на длине волны
Figure 00000001
 вращать плоскость поляризации до
Figure 00000002
. Используемый магнитофотонный кристалл содержит большое число магнитных слоев, что с учетом их значительного поглощения в оптической области существенно снижает проходящий через структуру сигнал.
Основное отличие предлагаемой полезной модели от указанного устройства и других раннее предлагавшихся устройств заключается в использовании ФК микрорезонатора, состоящего из двух немагнитных диэлектрических ФК зеркал, между которыми помещен тонкий слой магнитоактивного диэлектрика, толщина которого кратна половине длины волны распространяющегося в среде излучения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является описанный в (Birch K.P. A compact optical isolator. - Optics Communications, 1982, v. 43. №2, p. 79-84.) оптический вентиль, содержащий последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитооптический ротатор (вращатель плоскости поляризации) и анализатор. Магнитооптический ротатор расположен внутри магнита трубчатой формы с осевой намагниченностью. Таким образом, магнитооптический ротатор помещен в постоянное продольное магнитное поле. Конструкция магнитной системы, величина создаваемого магнитного поля магнитной системы и материал магнитооптического ротатора выбираются таким образом, чтобы угол поворота плоскости поляризации оптического излучения составлял 45°. Недостаток известного технического решения заключается в низких потребительских свойствах, обусловленных большими массогабаритными характеристиками магнитной системы с осевой намагниченностью.
В патенте SU 1457624 предлагается устройство «Внутри-резонаторный магнитооптический модулятор», которое представляет собой магнитооптическую ячейку, внутри которой создается управляющее продольное магнитное поле и в которое помещен магнитоактивный элемент, имеющий форму диска из монокристалла
Figure 00000003
. При толщине диска
Figure 00000004
 мм в состоянии магнитного насыщения достигался полный угол поворота
Figure 00000005
.
Отметим, что для получения достаточно больших углов поворота плоскости поляризации используют магнитоактивные элементы большой толщины, что существенно снижает их оптическую прозрачность. Действительно, согласно закону Бугера
Figure 00000006
, где
Figure 00000007
 - коэффициент поглощения, интенсивность прошедшего через магнитоактивный элемент излучения существенно убывает по мере увеличения его толщины
Figure 00000008
.
Указанные недостатки устраняются путем реализации в предлагаемой полезной модели оптического изолятора оптического излучения за счет использования фотонно-кристаллического микрорезонатора типа интерферометра Фабри-Перо, состоящего из первого диэлектрического брэгговского зеркала с прямым чередованием слоев, слоя феррита с высокой магнитооптической добротностью и толщиной, кратной половине длины волны в среде, и второго диэлектрического брэгговского зеркала с инвертированным чередованием слоев.
Основная цель полезной модели - обеспечить поворот плоскости поляризации оптического сигнала, идущего от лазерного источника, на угол в 45°.
Технический результат - повышение оптической прозрачности, увеличение срока службы и снижения массогабаритных характеристик магнитоактивного элемента и всего устройства в целом.
Оптический изолятор на основе магнитофотонного кристалла является устройством для достижения угла поворота плоскости поляризации в 45° линейно-поляризованного излучения, распространяющегося от лазерного источника 1 в прямом направлении представляет собой магнитооптическую ячейку, состоящую из поляризатора - 2, соленоида - 3, магнитоактивного элемента - 4 и анализатора - 5 (фиг. 1).
В качестве магнитоактивного элемента оптического изолятора используется тонкопленочная симметричная микрорезонаторная структура типа интерферометра Фабри-Перо, между двумя диэлектрическими брэгговскими зеркалами которого находится слой феррита с высокой магнитооптической добротностью. Симметричная резонаторная структура предполагает наличие инверсии, которая заключается в изменении порядка следования диэлектрических слоев в зеркалах: если во входном зеркале слои сформированы в порядке 1-2-1-2…1-2, то в выходном зеркале порядок слоев инвертирован, т.е. 2-1-2-1…2-1. При этом матрица пропускания, связывающая волновое поле на выходе из структуры с полем на входе имеет вид
Figure 00000009
. Наряду с инверсией, структура содержит магнитоактивный слой, который внедрен между ФК-зеркалами (фиг. 2).
Матрица пропускания всей структуры имеет вид
Figure 00000010
, где знаки «
Figure 00000011
» относятся к волнам с правой и левой круговой поляризациями. Комплексные амплитудные коэффициенты пропускания для волны соответствующей поляризации определяются выражениями
Figure 00000012
где
Figure 00000013
 - элементы передаточной матрицы
Figure 00000014
.
Внешнее магнитное поле приводит к насыщению намагниченность слоя феррита, ориентируя его магнитный момент вдоль оси структуры, т.е. вдоль или против направления распространения оптического излучения в структуре при прямом и обратном проходах. В результате совместного проявления эффекта Фарадея и многолучевой интерференции на выходе из структуры получаем величины полного угла поворота плоскости поляризации на два порядка большие соответствующих величин для изолированной пленки такого же феррита. Полный угол поворота плоскости поляризации зависит от толщины магнитоактивного слоя и числа периодов в ФК зеркалах, нелинейно увеличиваясь с их ростом.
Отличительная особенность предлагаемой модели состоит в выборе толщины слоя феррита и толщины диэлектрических слоев в брэгговских зеркалах. Толщина слоя феррита выбирается кратной половине длины волны излучения в среде
Figure 00000015
, где
Figure 00000016
 - показатель преломления феррита. Толщины слоев в диэлектрических зеркалах выбирались равными четверти длины волны в каждом из материалов:
Figure 00000017
 и
Figure 00000018
, где показатели преломления (ПП)
Figure 00000019
. При таких толщинах максимальны значения углов поворота плоскости поляризации и интенсивности проходящего излучения.
Нарушение периодической структуры приводит к появлению в фотонной запрещенной области спектра разрешенной минизоны. На фиг. 3 слева представлена частотная зависимость модуля коэффициентов прохождения
Figure 00000020
 для волн с циркулярными поляризациями в области первой фотонной запрещенной зоны. В центре фотонной запрещенной зоны имеются узкие разрешенные минизоны, на центральной частоте которых коэффициенты
Figure 00000021
 практически равны единице.
В отсутствие магнитного слоя (при
Figure 00000022
) спектры право- и левополяризованных волн совпадают и узкая вырожденная минизона располагается строго в центре зоны. С появлением магнитного слоя и увеличением его толщины вырождение снимается, что ведет к разделению спектральных линий
Figure 00000021
 и обеспечивает вращение плоскости поляризации. В выбранном масштабе разделение спектральных линий оказывается в пределах графической точности и на рисунке не проявляется. При достаточном разрешении по частоте разделение спектров проявляется и спектральные линии циркулярных волн с ортогональными поляризациями в запрещенной зоне разделяются (см. рисунок справа).
В указанном оптическом изоляторе диэлектрические слои ФК-зеркал выполнены на основе гадолиний-галлиевого граната (Gd3Ga5O12 - слои
Figure 00000023
) с
Figure 00000024
и двуокиси кремния (SiO2 - слои
Figure 00000025
) с
Figure 00000026
. Материалом магнитного слоя является железо-иттриевый феррит-гранат (Y3Fe5O12 - слой
Figure 00000027
), для которого диагональная и недиагональная компоненты тензора диэлектрической проницаемости имеют вид:
Figure 00000028
и
Figure 00000029
. Параметры феррита Y3Fe5O12 на двух длинах волн приведены в таблице:
Figure 00000030
Figure 00000031
Figure 00000032
Figure 00000033
Figure 00000034
,
Figure 00000035
Figure 00000036
,
Figure 00000037
1.15 4.65
Figure 00000038
Figure 00000039
 		245 0.1
1.3 4.84
Figure 00000040
Figure 00000041
 		210 0.3
На выбранных частотах показатели преломления (ПП) диэлектрических слоев в брэгговских зеркалах:
Figure 00000042
и
Figure 00000043
. Толщины соответствующих слоев выбирались равными четверти длины волны в материале:
Figure 00000044
,
Figure 00000045
для
Figure 00000046
и
Figure 00000047
,
Figure 00000048
для
Figure 00000049
. Именно при такой толщине слоев отражение от ФК-зеркал максимально. Толщина магнитного слоя может меняться, но должна быть равной
Figure 00000050
, где
Figure 00000051
для
Figure 00000046
и
Figure 00000052
для
Figure 00000049
. Для намагниченного ферритового слоя в геометрии продольного распространения комплексные ПП двух собственных право- и левополяризованной циркулярных волн определяются как
Figure 00000053
. Так как различие между величинами
Figure 00000054
и
Figure 00000055
мало, то под ПП ферритового слоя далее будем понимать вещественную часть полусуммы величин
Figure 00000054
и
Figure 00000055
, а именно
Figure 00000056
. Коэффициент поглощения ферритового слоя связан с мнимой частью ПП, т.е.
Figure 00000057
.
В случае падения на подобную ФК-структуру линейно-поляризованной волны для прошедшей волны имеет место поворот плоскости поляризации (эффект Фарадея) с полным углом поворота
Figure 00000058
,
где
Figure 00000059
- фазы комплексных амплитудных коэффициентов прохождения волн правой и левой круговой поляризации
Figure 00000060
.
На фиг. 4 представлена зависимость полного угла поворота плоскости поляризации
Figure 00000061
 проходящего через структуру излучения и максимума коэффициента прохождения
Figure 00000062
 на частоте дефектной моды
Figure 00000063
 от относительной толщины магнитного слоя
Figure 00000064
,
Figure 00000065
 на длине волны излучения
Figure 00000066
 мкм (зеленые и синие линии) для структуры
Figure 00000067
, где
Figure 00000068
. Видно, что с ростом как толщины магнитного слоя, так и числа периодов в ФК-зеркалах полный угол поворота плоскости поляризации увеличивается.
В результате многократного прохождения волны через слой феррита полный угол
Figure 00000069
 намного превышает угол поворота плоскости поляризации при однократном прохождении изолированного слоя той же толщины.
К увеличению угла фарадеевского вращения в предлагаемой модели приводит выбор толщины магнитоактивного слоя, кратной длине полуволны в среде, а также симметричное увеличение количества периодов в диэлектрических фотонно-кристаллических зеркалах. Существенным также является порядок следования слоев с большим и меньшим показателем преломления. В частности, больший угол фарадеевского вращения отвечает структуре, у которой магнитоактивный слой окружен слоями с меньшей диэлектрической проницаемостью. Так как магнитооптический параметр магнитоактивного слоя является функцией внешнего магнитного поля, то с его помощью можно осуществлять настройку устройства на необходимый угол поворота, а также менять знак угла поворота на противоположный.
Таким образом, реализован оптический изолятор на основе магнитофотонного кристалла, в котором за счет использования микрорезонаторной схемы и магнитоактивного слоя толщиной, кратной половине длины волны, достигнуто вращение плоскости поляризации в 45° при повышенной оптической прозрачности, а также за счет использования монолитной твердотельной многослойной конструкции магнитооптической ячейки увеличен срок службы и снижены массогабаритных характеристик магнитоактивного элемента и всего устройства в целом.

Claims (1)

  1. Оптический изолятор на основе магнитофотонного микрорезонатора, содержащий последовательно расположенные на оптической оси поляризатор, магнитоактивный элемент, помещенный в магнитооптическую ячейку, внутри которой создается продольное магнитное поле и анализатор, отличающийся тем, что магнитоактивный элемент выполнен в виде расположенного в термостате тонкопленочного фотонно-кристаллического микрорезонатора типа интерферометра Фабри-Перо, состоящего из первого диэлектрического брэгговского зеркала с прямым чередованием слоев, слоя феррита с высокой магнитооптической добротностью и толщиной, кратной половине длины волны в среде, и второго диэлектрического брэгговского зеркала с инвертированным чередованием слоев.
RU2017115075U 2017-04-27 2017-04-27 Оптический изолятор на основе магнитофотонного микрорезонатора RU173568U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017115075U RU173568U1 (ru) 2017-04-27 2017-04-27 Оптический изолятор на основе магнитофотонного микрорезонатора

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017115075U RU173568U1 (ru) 2017-04-27 2017-04-27 Оптический изолятор на основе магнитофотонного микрорезонатора

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU173568U1 true RU173568U1 (ru) 2017-08-30

Family

ID=59798244

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017115075U RU173568U1 (ru) 2017-04-27 2017-04-27 Оптический изолятор на основе магнитофотонного микрорезонатора

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU173568U1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2754985C2 (ru) * 2017-05-11 2021-09-08 Бэйлор Юниверсити Настраиваемый посредством полевого эффекта поглотитель с близкой к нулю диэлектрической проницаемостью
RU2769483C1 (ru) * 2021-09-22 2022-04-01 Общество с ограниченной ответственностью «ТИДЕКС» Изолятор терагерцового излучения

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002090525A (ja) * 2000-09-11 2002-03-27 Minebea Co Ltd 磁気光学体及びこの磁気光学体を用いた光アイソレータ
US20020154403A1 (en) * 2001-04-23 2002-10-24 Trotter, Donald M. Photonic crystal optical isolator
US20050018327A1 (en) * 2001-12-20 2005-01-27 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Faraday Rotator, Optical Isolator, Polarizer, and Diamond-Like Carbon Thin Film

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002090525A (ja) * 2000-09-11 2002-03-27 Minebea Co Ltd 磁気光学体及びこの磁気光学体を用いた光アイソレータ
US20020154403A1 (en) * 2001-04-23 2002-10-24 Trotter, Donald M. Photonic crystal optical isolator
US20050018327A1 (en) * 2001-12-20 2005-01-27 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Faraday Rotator, Optical Isolator, Polarizer, and Diamond-Like Carbon Thin Film

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2754985C2 (ru) * 2017-05-11 2021-09-08 Бэйлор Юниверсити Настраиваемый посредством полевого эффекта поглотитель с близкой к нулю диэлектрической проницаемостью
RU2769483C1 (ru) * 2021-09-22 2022-04-01 Общество с ограниченной ответственностью «ТИДЕКС» Изолятор терагерцового излучения

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Onbasli et al. Optical and magneto-optical behavior of cerium yttrium iron garnet thin films at wavelengths of 200–1770 nm
US20070091412A1 (en) Compact multipass optical isolator
CA1115396A (en) Ferrimagnetic faraday elements for ring lasers
JP3122111B2 (ja) 光学アイソレータ
Tuz et al. Polarization transformations by a magneto-photonic layered structure in the vicinity of a ferromagnetic resonance
US3666351A (en) Controllable magnetooptical devices employing magnetically ordered materials
Kharratian et al. RGB magnetophotonic crystals for high-contrast magnetooptical spatial light modulators
RU173568U1 (ru) Оптический изолятор на основе магнитофотонного микрорезонатора
Zamani et al. Large Faraday rotation in magnetophotonic crystals containing SiO2/ZrO2 matrix doped with CoFe2O4 magnetic nanoparticles
WO2002014939A1 (fr) Dispositif de rotation faraday et dispositif optique renfermant celui-ci
Tuz et al. Polarization switching and nonreciprocity in symmetric and asymmetric magnetophotonic multilayers with nonlinear defect
Savotchenko Surface waves in composite waveguide structure with linear core in the crystal characterized by an abruptly changing defocusing Kerr type nonlinearity
US9841619B2 (en) Optical body
Shmat'ko et al. Bragg reflection and transmission of light by one-dimensional gyrotropic magnetophotonic crystal
Darki et al. Magneto-optical properties of asymmetric one-dimensional magneto-photonic crystals
Eliseeva et al. Defect modes and magnetooptical activity of a one-dimensional magnetophotonic crystal
Eliseeva et al. Magneto-optical activity of a one-dimensional photonic crystal with a magnetic defect
RU161388U1 (ru) Магнитооптический модулятор интенсивности света
Umegaki et al. Optical bistability using a magneto‐optic modulator
Ghasemi et al. Faraday rotator made of conjugated magneto active photonic crystal heterostructures
Zamani et al. Potential of SiO2/ZrO2 matrix doped with CoFe2O4 magnetic nanoparticles in achieving integrated magneto-optical isolators
Vasiliev et al. Effect of oblique light incidence on magnetooptical properties of one-dimensional photonic crystals
Zamani High-performance blue-green-red magneto-optical spatial light modulators based on thin film multilayers
Jalali et al. Enhancement of the magneto-optical Kerr effect in one-dimensional magnetophotonic crystals with adjustable spatial configuration
Eliseeva et al. Giant faraday rotation in one-dimensional photonic crystal with magnetic defect