Билет №32 (Ответы на экзамен 2)

2

Билет №32

§ 5.3. одноэлементные магнитооптические устройства

Под одноэлементными устройствами будем понимать устройства с однородной по площади магнитооптической средой, функционирующей в однородном внешнем управляющем магнитном поле как единое целое. Рассмотрим некоторые из наиболее перспективных таких устройств.

5.3.1. Магнитооптические модуляторы

Модуляторы света предназначены для управления интенсивностью света в системах передачи данных и обработки оптической информации. Принципиальная схема магнитооптического модулятора представ­лена на рис. 5.3.

Ферромагнетик, прозрачный в рабочей области спектра, размеща­ется внутри катушки, по которой протекает электрический ток, создаю­щий управляющее магнитное поле.

Такой магнитооптический элемент с катушкой 1 размещается меж­ду поляризатором 2 и анализатором 3. При отсутствии тока в катушке магнитооптический элемент не влияет на поляризацию проходящего через него света. Следовательно, если интенсивность излучения, па­дающего на поляризатор, Iо, а угол между осями пропускания света по­ляризатора и анализатора составляет (3, то интенсивность света на выхо­де системы при условии пренебрежения всевозможными потерями оп­ределяется законом Малюса:

I = I₀cos²β (5.15)

При подаче тока в катушку возникшее магнитное поле, направлен­ное параллельно направлению проходящего линейно-поляризованного света, будет поворачивать плоскость поляризации в соответствии с за­коном Фарадея на угол Ф. В этом случае выражение (5.15) изменится:

I= I₀со₅²(β±Ф). (5.16)

Реально же необходимо учитывать как отражение света на границах двух сред, так и поглощение света, соответственно, в поляризаторе, магнито­оптическом элементе и анализаторе. Эти потери могут быть достаточно большими. Так, в магнитооптическом элементе из феррит-граната потери в видимой области спектра составляют десятки процентов.

Известно, что интенсивность света, прошедшего через пластинку с параллельными гранями, при учете многократного отражения, опреде­ляется выражением

I=Io (1-R^{) 2}ехр(-αd)/(1-R²)exp(-2αd)

где α — коэффициент поглощения материала; d—толщина пластинки; R — коэффициент отражения.

Кроме того, поскольку реальные поляризаторы в скрещенном по­ложении (β = π/2) не приводят к полному гашению излучения, в выра­жение (5.16) необходимо ввести некоторый поправочный параметр Р, учитывающий эту особенность.

Таким образом, интенсивность света, прошедшего через систему поляризатор—магнитооптический элемент—анализатор, можно запи­сать в следующем виде:

I = γI₀[(1-P)соs²(β±Ф) + P], (5.18)

где обобщенный коэффициент у учитывает потери излучения в системе. Величина угла поворота плоскости поляризации за счет эффекта Фарадея равна

Ф = θ_F dсоsδ, (5.19)

где θ_F — удельное фарадеевское вращение ферромагнетика, зависящее от отношения I_M/I_MH; I_M —намагниченность магнитооптического элемента, вызванная внешним магнитным полем; I_MH — намагничен­ность насыщения; 5 — угол между направлением вектора намагничен­ности и направлением распространения света.

Для изменения намагниченности I_M в прозрачном ферромагнетике используется либо смещение доменных стенок, либо вращение вектора намагниченности насыщенного образца I_MN во внешнем магнитном поле.

В магнитооптических модуляторах, основанных на первом физиче­ском процессе, обычно используются ортоферриты и феррит-гранаты. В эпитаксиальных структурах феррит-гранатов с ромбической анизотро­пией скорость движения стенок Блоха превышала 1700м/с, что позво­лило получить глубину модуляции в несколько десятков процентов на частотах в сотни мегагерц в магнитных полях порядка десятков гаусс.

5.3.2. Ma eckue изоляторы

С развитием волоконно-оптических линий связи возникла пробле­ма устранения отраженных сигналов в лазерных резонаторах, в различ­ных разъемах и контактных узлах, т. е. появилась необходимость в соз­дании оптических изоляторов — устройств, пропускающих сигнал по оптическому каналу в одном направлении и гасящих сигнал, распро­страняющийся в обратном направлении.

Структурная схема оптического изолятора на основе эффекта Фарадея представлена на рис. 5.4. Изолятор состоит из двух поляризаторов,

Рис. 5.4. Структурная схема оптического изолятора на основе эффекта Фарадeя.

оси пропускания которых установлены под углом 45°, и фарадеевского магнитооптического элемента, расположенного между ними. Физические параметры фарадеевского элемента таковы, что при прохождении через него линейно-поляризованного света плоскость поляризации поворачива­ется на 45°. При распространении света вдоль оси X луч проходит через поляризатор /, ось пропускания которого направлена вдоль оси Z, фара-деевский элемент 2, поворачивающий плоскость поляризации света на угол +45°, и анализатор 3, ось пропускания которого совпадает с направ­лением поляризации света, прошедшего через фарадеевский элемент.

Свет, проходящий в обратном направлении, проходит через анали­затор J, затем через фарадеевский элемент, в котором плоскость его поляризации дополнительно поворачивается на угол +45°. (Напомним, что эффект Фарадея является нечетным элементом по Н.) После прохо­ждения фарадеевского элемента плоскость поляризации света оказыва­ется перпендикулярной оси пропускания поляризатора /. Следователь­но, свет, распространяющийся в обратном направлении, полностью га­сится поляризатором.

Оптический изолятор, созданный по вышеприведенной схеме, в ко­тором в качестве материала для фарадеевского элемента использовалась пластинка из иттриевого феррит-граната^ характеризовался следующи­ми параметрами. Рабочая длина света— 1,3 мкм; затухание при ком­натной температуре в обратном направлении составляло 32 дБ, а потери в прямом направлении равнялись 1,4 дБ; диаметр фарадеевского эле­мента — 3 мм, толщина — 2,1 мм.

Дальнейшее развитие оптических изоляторов связано с использо­ванием эпитаксиальных монокристаллических пленок феррит-гранатов вместо пластин, вырезанных из объемных монокристаллов. Пленки на­много технологичнее объемных монокристаллов, и из одной эпитакси-альной структуры можно изготовить большое количество идентичных магнитооптических элементов. Кроме того, монокристаллические плен­ки феррит-фанатов с вектором намагниченности /_т в плоскости плен­ки требуют для насыщения значительно более слабые магнитные поля, чем объемные кристаллы.

Разработаны пленочные оптические изоляторы двух типов: с про­хождением света вдоль пленки и перпендикулярно ее плоскости. В табл. 5.3 приведены основные магнитооптические парамет­ры пленок весьма сложного состава: Gd Вi Fе А1 Gа О , исполь­зуемых для создания оптических изоляторов горизонтального и верти­кального типов.

Магнитооптические изоляторы вертикального типа на основе Bi-содержащих монокристаллических пленок феррит-гранатов по эффективности и экономичности превосходят все другие типы оптических изоляторов.