Модулятор на основе эффекта фарадея

 

Модулятор используется в нелинейной интегральной и волоконной оптике. Модулятор содержит последовательно расположенные оптически связанные магнитооптический элемент со средством, создающим переменное магнитное поле, нелинейнооптический элемент и разделитель излучений ортогональных поляризаций. Модулятор может содержать расположенный на входе поляризатор и установленный за магнитооптическим элементом двулучепреломляющий элемент, в частности электрооптический. Нелинейный элемент может быть выполнен в виде волновода, в частности нелинейной слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями. Магнитооптический элемент, двулучепреломляющий элемент, нелинейный элемент, выполненные в виде световодов, и разделитель излучений ортогональных поляризаций, выполненный в виде волноводного поляризатора, могут представлять собой единый отрезок световода, легированный на соответствующих участках различными ионами. Изобретение позволяет резко усилить эффект Фарадея и достичь высокого уровня модуляции при относительно небольших амплитудах тока, а следовательно, высоком быстродействии и низких потерях, а также обеспечить возможность считывания информации при более высокой плотности записи. 26 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области нелинейной интегральной и волоконной оптики, а точнее к области полностью оптических модуляторов и переключателей.

Известно использование устройств на основе эффекта Фарадея, включающих оптический элемент, пропускающий оптическое излучение, окруженный соленоидом для создания переменного магнитного поля (например, M.Berwick, J.D.C.Jones, D. A. Jackson "Alternating-carrent measurement and noninvasiv data ring utilizing the Faraday effect in a closed-loop fiber magnetometr", "Optics letters", V.1 2, 4, 1987).

Наиболее близок к предложенному модулятор на основе эффекта Фарадея или магнитооптического эффекта Керра, содержащий последовательно установленные по ходу луча оптический элемент из магнитооптического материала, на который воздействует модулирующее магнитное поле, и анализатор. (С.Гонда, Д.Сэко "Оптоэлектроника в вопросах и ответах", Ленинград, Энергоатомиздат, 1989 г., с. 28-31.) Недостатки этого модулятора - малый угол поворота плоскости поляризации при небольшой амплитуде тока, и как следствие - малый уровень модуляции или необходимость использования тока с большой амплитудой. Для достижения достаточно больших углов поворота, обеспечивающих заметный уровень модуляции (>20%), требуются соленоиды с большим количеством витков, либо большие амплитуды тока (порядка 1 А и более), либо и то и другое. Прямым следствием этого является низкое быстродействие. Использование же ферромагнетиков в ячейках Фарадея связано, как правило, с большими потерями. Недостаток модуляторов на основе магнитооптического эффекта Керра - ограничение на предельно малую величину намагниченности доменов, определяемую возможностью считывания информации, что приводит к невозможности уменьшения размеров доменов ниже предельно допустимой величины и тем самым ограничивает плотность записи.

В известных технических решениях повышение уровня модуляции (при умеренных токах) достигается увеличением оптического хода луча за счет многократного отражения от торцов оптического элемента (С.Гонда, Д.Сэко "Оптоэлектроника в вопросах и ответах", Ленинград, Энергоатомиздат, 1989 г., с. 126-127) либо увеличением длины самого оптического элемента, выполненного в виде волоконного световода (С.Н.Антонов, А.Н.Булюк, В.М.Котов "Фарадеевский волоконно-оптический датчик магнитного поля", "Квантовая электроника", 18, N 1, 1991 г., с.139-141). И в том, и в другом случае значительно возрастают потери оптического излучения; кроме того, переменный ток, пропускаемый через соленоид, должен быть достаточно сильным.

Технический результат изобретения выражается в резком усилении эффекта Фарадея и достижении высокого уровня модуляции оптического излучения при относительно небольших амплитудах тока, а следовательно, высоком быстродействии и низких потерях, а также в обеспечении возможности считывания информации при более высокой плотности записи.

Поставленная задача решается тем, что модулятор на основе магнитооптического эффекта, содержащий оптически связанные магнитооптический элемент и разделитель излучений различных поляризаций (причем магнитооптический элемент состоит из оптического элемента, выполненного из магнитооптического материала, и средства, создающего переменное магнитное поле в зоне пучка оптического излучения) дополнительно содержит нелинейнооптический элемент, расположенный между магнитооптическим элементом и разделителем излучений различных поляризаций.

В случае, когда модулируемое оптическое излучение не поляризовано или для повышения степени поляризации лазерного излучения модулятор дополнительно содержит расположенный перед магнитооптическим элементом поляризатор.

Для обеспечения оптимальной разности фаз ортогонально поляризованных волн модулятор дополнительно содержит двулучепреломляющий элемент, расположенный между магнитооптическим и нелинейнооптическим элементами.

В частных случаях двулучепреломляющий элемент выполнен в виде электрооптического кристалла, снабженного электрическими контактами, или волновода из электрооптического материала, снабженного электрическими контактами, или четвертьволновой пластинки, или двулучепреломляющего волновода, или акустооптического кристалла, или волновода из акустооптического материала.

Для еще большего повышения уровня модуляции нелинейнооптический элемент обладает двулучепреломлением и/или выполнен из магнитооптического материала.

В частном случае, наиболее предпочтительном для конструктивного выполнения, нелинейнооптический элемент выполнен в виде нелинейного волновода.

В частных случаях нелинейный волновод выполнен в виде волоконного световода, на входном и/или выходном торце которого может быть сформирована линза: из стекла, легированного полупроводником; нелинейной слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями.

Для увеличения пропускания оптического излучения полупроводниковая структура снабжена контактами для прохождения электрического тока через структуру перпендикулярно слоям, соединенными с источником постоянного тока.

Для повышения эффективности ввода-вывода излучения нелинейный волновод на входе и/или выходе снабжен объективом, выполненным в виде цилиндрической линзы и/или градана.

В частном случае нелинейный волновод и объективы выполнены в виде единого модуля.

В частных случаях разделитель излучений различных поляризаций и/или поляризатор выполнен в виде поляроида, или поляризационной призмы, или двоякопреломляющей призмы, или волноводного поляризатора, в частности, направленного волноводного ответвителя, разделяющего поляризацию.

Для реализации модулятора на основе эффекта Фарадея оптический элемент, входящий в состав магнитооптического элемента, выполнен пропускающим оптическое излучение, при этом средство, создающее переменное магнитное поле в зоне пучка оптического излучения, выполнено в виде соленоида, расположенного вокруг оптического элемента.

В другом случае для реализации модулятора на основе эффекта Фарадея оптический элемент, входящий в состав магнитооптического элемента, выполнен пропускающим оптическое излучение с участками различной намагниченности, при этом средство, создающее переменное магнитное поле в зоне пучка оптического излучения, выполнено в виде устройства перемещения оптического элемента в пространстве или устройства сканирования пучка модулируемого излучения по оптическому элементу.

Для реализации модулятора на основе магнитооптического эффекта Керра оптический элемент, входящий в состав магнитооптического элемента, выполнен отражающим оптическое излучение с участками различной намагниченности, при этом средство, создающее переменное магнитное поле в зоне пучка оптического излучения выполнено в виде устройства перемещения оптического элемента или устройства сканирования пучка модулируемого излучения по оптическому элементу.

В частном случае оптический элемент, входящий в состав магнитооптического элемента, выполнен в виде световода, на входном и/или выходном торце которого может быть сформирована линза.

Для обеспечения возможности модуляции излучения под воздействием двух или более сигналов, в частности, для обеспечения возможности реализации на основе предложенного модулятора логического элемента модулятор дополнительно снабжен по крайней мере одним соленоидом, расположенным вокруг световода.

Для обеспечения компактности устройства и его миниатюризации оптический элемент соединен с нелинейнооптическим элементом, выполненным в виде световода, склейкой или посредством миниатюрного механического соединителя.

В другом варианте для обеспечения компактности магнитооптический элемент и нелинейнооптическим элемент, выполненный в виде волновода, выполнены в виде одного отрезка световода.

Для обеспечения максимальной компактности модулятора магнитооптический элемент, нелинейнооптический элемент, выполненный в виде волновода, и разделитель излучений различных поляризаций, представляющий собой волноводный поляризатор, выполнены в виде одного отрезка световода.

В частном случае волноводный поляризатор выполнен в виде направленного волноводного ответвителя.

В другом случае для обеспечения максимальной компактности модулятора он дополнительно содержит расположенный между магнитооптическим элементом и нелинейнооптическим элементом волновод, выполненный из двулучепреломляющего материала, при этом магнитооптический элемент, волновод, выполненный из двулучепреломляющего материала, нелинейный волновод и разделитель излучений различных поляризаций, представляющий собой волноводный поляризатор, выполнены в виде одного отрезка световода.

Для снижения мощности оптического излучения и повышения глубины модуляции модулятор дополнительно содержит стабилизатор температуры нелинейнооптического элемента, выполненный с возможностью выбора стабилизируемой температуры.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 схематически изображен малый поворот плоскости поляризации излучения (т.е. вектора электрического поля Е) и возникновение малой "сигнальной" х-компоненты вектора поля на выходе магнитооптического элемента.

На фиг. 2 показана блок-схема устройства.

На фиг. 3-5 изображены некоторые варианты выполнения модулятора на основе эффекта Фарадея.

На фиг. 6 изображен вариант выполнения модулятора на основе магнитооптического эффекта Керра.

На фиг. 7 показано переключение ортогонально поляризованных солитонов в волоконном двулучепреломляющем нелинейном световоде с использованием эффекта Фарадея (с учетом возможной расстройки групповых скоростей солитонов).

В состав модулятора входят: магнитооптический элемент 1, выполненный из магнитооптического материала, находящийся под воздействием переменного магнитного поля, двулучепреломляющий элемент 2, нелинейнооптический элемент 3, например, нелинейный оптический волновод, поляризатор 4, разделитель 5 излучений различных поляризаций (в частности, ортогональных) на выходе, например, призма Глана. На вход устройства поступает излучение лазера 6.

Модулятор на основе эффекта Фарадея может быть выполнен в виде единого световода (фиг. 3), первый участок 7 которого, помещенный в соленоид 8, выполнен в виде ячейки Фарадея, второй участок 9 единого световода представляет собой волновод из двулучепреломляющего материала, третий участок 10 единого световода представляет собой нелинейный оптический световод, а четвертый участок 11 единого световода является одной из ветвей направленного волноводного ответвителя, разделяющего излучения ортогональных поляризаций (который в данном случае является разделителем 5 излучений различных поляризаций). Формирование указанных участков достигается легированием различными ионами. Например, участок, помещенный в соленоид для усиления магнитооптических свойств (константы Верде), легирован тербием, а следующий за ним участок волновода для увеличения нелинейного коэффициента легирован полупроводниками (например, CdS_xSe_1-x. При этом лазер 6 может быть также выполнен в виде волновода. На первом участке волновода может быть расположено несколько соленоидов 8.

Модулятор на основе эффекта Фарадея может быть выполнен с использованием нелинейной слоистой MQW-структуры 12, снабженной электрическими контактами 13 для пропускания через структуру тока (фиг. 4-5). MQW-структура 12 содержит не менее двух слоев.

На торцах волоконных световодов могут быть выполнены линзы 14; нелинейная слоистая MQW структура 12 с электрическими контактами 13 может быть снабжена на входе и выходе граданом 15 и цилиндрической линзой 16. Волоконный световод из магнитооптического стекла может быть состыкован с выходом полупроводникового лазерного излучателя и/или входным торцем нелинейного волновода, как показано на фиг. 4. Кроме того, можно использовать дополнительные световоды 17 ввода-вывода излучения.

Модулятор на основе магнитооптического эффекта Керра (фиг. 6) может быть выполнен в виде оптического диска 18, покрытого тонкой пленкой, выполненной, например, из MnBi, ортоферритов, CdTbFe, имеющей участки намагниченности, перпендикулярной поверхности. Оптический диск снабжен устройством поворота относительно пучка считывающего лазерного излучения либо устройством сканирования этого пучка относительно диска (на чертеже не показаны). После оптического диска на пути луча, отраженного от него, установлен нелинейный волновод 12 и разделитель 5 излучений различных поляризаций.

Рассмотрим работу модулятора на основе эффекта Фарадея.

Линейно поляризованное излучение лазера, для повышения степени поляризации пропущенное сквозь поляроид, пропускается сквозь ячейку Фарадея, представляющую собой оптический элемент, выполненный в форме цилиндра, параллелепипеда, диска, пластины, оптического волновода из магнитооптического материала, например стекла, легированного Тербием, помещенный в соленоид. Через соленоид пропускается переменный электрический ток, изменение которого соответствует полезному (модулирующему) переменному сигналу (аналоговому либо цифровому). Величина и знак угла отклонения (поворота) плоскости поляризации оптического излучения, например, от вертикальной оси (на выходе ячейки Фарадея) соответствует величине и знаку электрического тока соленоида и, следовательно, величине и знаку полезного сигнала. Так как горизонтальная составляющая вектора поля при малых углах отклонения (поворота) от вертикали пропорциональна углу отклонения (поворота), а вертикальная составляющая почти не меняется (фиг. 1a), то можно считать, что на вход нелинейного волновода (выполненного, например, на основе MQW-структуры), обладающего двулучепреломлением (при этом оси эллипса показателя преломления в поперечном сечении волновода направлены вдоль осей x и у), поступает переменный сигнал с вектором поляризации, направленным вдоль горизонтальной оси x, и несущим полезную информацию. Одновременно на вход нелинейного волновода поступает излучение накачки, роль которого в данном случае выполняет вертикально поляризованная составляющая, почти постоянная по интенсивности и почти равная входной интенсивности излучения. Интенсивность излучения накачки должна превышать пороговую величину, определяемую исходя из параметров нелинейного волновода, а именно разности эффективных показателей преломления волн ортогональных поляризаций n, которая является мерой двулучепреломления волновода, и коэффициента нелинейности || волновода.

В другом предельном случае вектор поля оптического излучения на выходе магнитооптического элемента направлен под углом 45^o к осям x и у при нулевом токе через магнитооптический элемент, т.е. интенсивности волн, поляризованных вдоль осей у и х на входе нелинейного элемента, равны между собой (фиг. 16). Переменный ток вызывает отклонение вектора поля от исходного положения (не меняя его величины) и тем самым увеличивает x-компоненту и уменьшает y-компоненту (или наоборот), создавая разность интенсивностей между волнами, поляризованными вдоль осей у и х на входе нелинейного элемента. При этом на выходе нелинейного элемента эта разность многократно возрастает.

В нелинейном волноводе происходит усиление модулированного сигнала за счет нелинейного взаимодействия (обмена энергией) однонаправленных распределенно-связанных волн различных поляризаций и резком перераспределения энергии между ними на выходе при малом изменении тока через магнитооптический элемент.

Коэффициент передачи энергии из одной волны в другую зависит от разности эффективных показателей преломления этих волн (или от разности фазовых скоростей этих волн).

Двулучепреломление нелинейного элемента может быть ничтожно мало, т.е. нелинейный элемент может по существу не обладать двулучепреломлением, но при этом коэффициент передачи энергии существенно меньше.

После прохождения ячейки Фарадея излучение может пропускаться сквозь электрооптический элемент, на который подано электрическое напряжение. Выбором величины этого напряжения осуществляется выбор оптимальной разности фаз ортогонально поляризованных волн.

Нелинейная слоистая MQW-структура может быть снабжена электрическими контактами, позволяющими пропускать электрический ток перпендикулярно лучу.

Длина волны излучения, как правило, выбирается близкой к длине волны экситонного и/или двухфотонного экситонного резонанса, т.к. при этом максимален нелинейный коэффициент волноводов и, следовательно, обеспечивается наиболее эффективное усиление. Однако поглощение излучения на длине волны экситонного резонанса максимально. Поэтому через волновод (в поперечном направлении) пропускается электрический ток, обеспечивающий снижение поглощения вблизи резонансной области поглощения (где достигается максимальная, рекордная по величине нелинейность) по крайней мере на порядок по сравнению со случаем отсутствия указанного тока. За счет пропускания тока сближаются населенности верхнего и нижнего уровней и падает поглощение и, таким образом, резко снижается критическая интенсивность и пороговая интенсивность оптического излучения, вводимого в волновод.

Нелинейная слоистая MQW-структура может быть снабжена как на входе, так и на выходе цилиндрической линзой и граданом, с помощью которых излучение эффективно вводится в указанную структуру и выводится из нее. Наличие электрических контактов позволяет пропускать через структуру электрический ток, вызывающий ее люминесценцию, что позволяет установить цилиндрическую линзу и градан относительно структуры или состыковать с ней волновод с большой степенью точности.

Выведенное из нелинейного волновода (MQW-структуры) излучение пропускается, например, сквозь призму Глана, разделяющую ортогонально поляризованные волны на выходе системы.

При этом каждая из указанных ортогонально поляризованных волн на выходе системы оказывается промодулированной по интенсивности в соответствии с модуляцией проходящего через соленоид тока, причем глубина модуляции излучения в каждой поляризации на выходе системы во много раз (по крайней мере на порядок) превышает глубину модуляции излучения по сравнению со случаем отсутствия нелинейного волновода.

Для работы предлагаемого устройства поворот вектора поляризации на выходе магнитооптического элемента принципиально может быть очень малым (например, на угол менее 1^o), такой что отклонение вектора электрического поля от вертикальной оси много меньше длины самого вектора, т.е. на выходе магнитооптического элемента максимальная горизонтальная составляющая вектора электрического поля много меньше его вертикальной составляющей, которая почти не изменяется по величине и остается почти равной длине полного вектора электрического поля (фиг. 2a).

Аналогично описанному выше работает устройство модуляции на основе магнитооптического эффекта Керра. Модуляция излучения осуществляется в этом случае под действием магнитного поля различно намагниченных участков отражающего оптического элемента из магнитооптического материала (оптического диска), что позволяет считывать информацию, записанную с плотностью, значительно превышающую плотность записи для обычных считывающих устройств.

Предложенный модулятор позволяет модулировать излучение, передаваемое в виде солитонов в волоконных световодах, что иллюстрируется фиг. 7, показывающей распространение солитонов ортогональных поляризаций вдоль волоконного кубично-нелинейного двулучепреломляющего световода: в случае (а) входная амплитуда солитоноподобного импульса, поляризованного вдоль оси x, равна нулю, в случае (б) - равна 10^-2, в обоих случаях входная амплитуда солитоноподобного импульса, поляризованного вдоль оси у, равна 1,2 (в солитонной нормировке).

Возможность осуществления данного изобретения подтверждается следующими примерами.

Пример 1. Накачку с длиной волны = 0,86 мкм от полупроводникового лазера, поляризованную вдоль вертикальной оси (у), пропускали сквозь призму Глана, затем - сквозь ячейку Фарадея, представляющую магнитооптическое стекло, легированное тербием (диамагнитное Фарадеево стекло), помещенное в соленоид, и затем вводили в нелинейный оптический волновод, светонесущая жила которого была изготовлена из слоистой структуры типа GaAs-Ga_xAl_1-xAs, с x= 0.2, представлявшей набор квантовых ям. Период одной ямы был 200 А. Толщина светонесущей жилы была 0.5мкм и на ней укладывалось примерно 25 периодов структуры. Длина волны, соответствующая экситонному резонансу в указанной структуре, приблизительно равнялась 0.85 мкм. Ширина полоскового волновода составляла 4 мкм. Разность показателей преломления двух ортогонально поляризованных волн составляла n = 410^-3. Площадь поперечного сечения примерно 10^-7 см². Сквозь волновод перпендикулярно лучу (оси волновода) пропускали слабый электрический ток примерно 50 мА. Для этого на волновод сверху был нанесен пленочный электрод, к которому с помощью термокомпрессии были припаяны тонкие металлические проводки. Снизу волновод был припаян к металлической пластине, находящейся на элементе Пельтье. С помощью стабилизатора тока, пропускаемого через элемент Пельтье, задавали температуру нелинейного оптического элемента, при которой глубина модуляции была максимальной. В области экситонного резонанса на используемой длине волны нелинейный коэффициент волновода составлял = 10^-4 СГСЭ. Длина волновода составляла 1 мм. Ввод и вывод излучения из волновода осуществлялся с помощью цилиндрических линз и граданов, укрепленных на концах нелинейного волновода. Вся конструкция, содержащая входной градан, входную цилиндрическую линзу, нелинейный волновод, выходную цилиндическую линзу и выходной градан представляла единый модуль. При нулевом токе через соленоид поляризация поля на выходе и входе соленоида, а также на входе в нелинейный волновод была направлена вдоль вертикальной оси (у). Через соленоид пропускали переменный электрический ток, изменение которого соответствовало полезному переменному сигналу (аналоговому либо цифровому). При этих условиях получали на выходе глубину модуляции в 10⁴ раз выше, чем в случае отсутствия в модуляторе нелинейного элемента, причем мощности ортогонально поляризованных волн на выходе системы изменялись в противофазе.

Пример 2. Накачку с длиной волны = 1,55 мкм от полупроводникового лазера в импульсном режиме, поляризованную вдоль вертикальной оси (у), пропускали сквозь призму Глана, затем - сквозь ячейку Фарадея, представляющую ферромагнитный кристалл граната (YIG, иттриево-железистый гранат), помещенный в соленоид, и затем вводили в нелинейный оптический волновод, светонесущая жила которого была изготовлена из слоистой структуры типа GaAs-Ga_xAl_1-xAs, с x=0.2, представлявшей набор квантовых ям. Период одной ямы был 200 А. Толщина светонесущей жилы была 0.5 мкм и на ней укладывалось примерно 25 периодов структуры. Длина волны, соответствующая экситонному резонансу в указанной структуре, приблизительно равнялась 0.78 мкм. Ширина полоскового волновода составляла 4 мкм. Разность показателей преломления двух ортогонально поляризованных волн составляла n = 410^-3. Площадь поперечного сечения примерно 10^-7 см². Сквозь волновод в перпендикулярном лучу (оси волновода) направлении пропускали слабый электрический ток примерно 70 мА. Для этого на волновод сверху был нанесен пленочный электрод, к которому с помощью термокомпрессии были припаяны тонкие металлические проводки. Снизу волновод был припаян к металлической пластине, находящейся на элементе Пельтье. В области двухфотонного экситонного резонанса на используемой длине волны нелинейный коэффициент волновода составлял 10^-9 СГСЭ. Длина волновода составляла 1 мм. Ввод и вывод излучения из волновода осуществлялся с помощью цилиндрических линз и граданов, укрепленных на входе и выходе нелинейного волновода. Вся конструкция, содержащая входной градан, входную цилиндрическую линзу, нелинейный волновод, выходную цилиндрическую линзу и выходной градан представляла единый модуль. При нулевом токе через соленоид поляризация поля на выходе и входе соленоида, а также на входе в нелинейный волновод была направлена вдоль вертикальной оси (у). Через соленоид пропускали переменный электрический ток, изменение которого соответствовало полезному переменному сигналу (аналоговому либо цифровому). При этих условиях получили на выходе глубину модуляции в 10² раз выше, чем в случае отсутствия в модуляторе нелинейного элемента, причем мощности ортогонально поляризованных волн на выходе системы изменялись в противофазе.

Пример 3. Накачку с длиной волны = 1,3 мкм от полупроводникового лазера, поляризованную вдоль вертикальной оси (у), пропускали сквозь призму Глана, затем - сквозь ячейку Фарадея, представляющую ферромагнитный кристалл граната (YIG, иттриево-железистый гранат), помещенный в соленоид, и затем вводили в нелинейный оптический волновод, светонесущая жила которого была изготовлена из слоистой структуры типа In_1-xGa_xAs_yP_1-y/GaAs, с х=0.2, у= 2,2х, представлявшей набор квантовых ям. Период одной ямы был 200 А. Толщина светонесущей жилы была 0.5 мкм и на ней укладывалось примерно 25 периодов структуры. Длина волны, соответствующая экситонному резонансу в указанной структуре, приблизительно равнялась 1.3 мкм. Ширина полоскового волновода составляла 4 мкм. Длина волновода - примерно 1 мм. Разность показателей преломления двух ортгонально поляризованных волн составляла n = 410^-3. Площадь поперечного сечения примерно 10^-7 см². Сквозь волновод в перпендикулярном лучу (оси волновода) направлении пропускали слабый электрический ток примерно 70 мА. Для этого на волновод сверху был нанесен пленочный электрод, к которому с помощью термокомпрессии были припаяны тонкие металлические проводки. Снизу волновод был припаян к металлической пластине, находящейся на элементе Пельтье. В области экситонного резонанса на используемой длине волны нелинейный коэффициент волновода составлял 10^-4 СГСЭ. Ввод и вывод излучения из волновода осуществлялся с помощью цилиндрических линз и граданов, укрепленных на входе и выходе нелинейного волновода. Вся конструкция, содержащая входной градан, входную цилиндрическую линзу, нелинейный волновод, выходную цилиндрическую линзу и выходной градан имела вид единого модуля. При нулевом токе через соленоид поляризация поля на выходе и входе соленоида, а также на входе в нелинейный волновод была направлена вдоль вертикальной оси (у). Через соленоид пропускался переменный электрический ток, изменение которого соответствовало полезному переменному сигналу (аналоговому либо цифровому). При этих условиях получили на выходе глубину модуляции в 10⁴ раз выше, чем в случае отсутствия в модуляторе нелинейного элемента, причем мощности ортогонально поляризованных волн на выходе системы изменялись в противофазе.

Пример 4. Оптические импульсы, например солитоны, длительностью 100fs-10ps (и с длиной волны = 1,55 мкм и пиковой мощностью более 100 Вт, пропускали сквозь призму Глана {поляризатор}, затем - сквозь ячейку Фарадея, представляющую ферромагнитный кристалл граната (YIG, иттриево-железистый гранат), помещенный в соленоид, и затем вводили в нелинейный оптический волоконный световод, с двулучепреломлением порядка 10^-7; 10^-13 СГСЭ. На входе накачка была поляризована вдоль (или перпендикулярно) вертикальной оси (у), параллельной оси эллипса эффективного показателя преломления в сечении световода, т. е. вектор напряженности E светового поля солитона направлен вдоль вертикальной оси (у) и вдоль этой же оси (или перпендикулярно к ней) была направлена ось эллипса эффективного показателя преломления в сечении световода. Площадь поперечного сечения примерно 10^-7 см². Длина световода составляла 10 м. Интенсивность накачки устанавливалась большей, чем 3(c/2)(n/||) 10⁹ Вт/см², т. е. вводимая мощность накачки порядка 100 Вт. Разность показателей преломления двух n ортогонально поляризованных волн в нелинейном световоде составляла 10^-6. Ввод и вывод излучения из волновода осуществлялся с помощью граданов, укрепленных на входе и выходе нелинейного волновода. Вся конструкция, содержащая входной градан, входную цилиндрическую линзу, нелинейный световод, выходную цилиндрическую линзу и выходной градан, имела вид единого модуля. При нулевом токе через соленоид поляризация поля на выходе и входе соленоида, а также на входе в волоконный световод была направлена вдоль вертикальной оси (у) параллельно оптической оси эллипса эффективного показателя преломления в сечении этого световода. Через соленоид пропускался переменный электрический ток, изменение которого соответствовало полезному переменному сигналу (аналоговому либо цифровому). При этих получили на выходе глубину модуляции в 10³ раз выше, чем в случае отсутствия в модуляторе нелинейного элемента, причем мощности ортогонально поляризованных волн на выходе системы изменялись в противофазе.

Пример 5. То же, что в примерах 3, 4, но в качестве ячейки Фарадея использовали магнитооптическое стекло (диамагнитное Фарадеево стекло), например стекло, легированное тербием, помещенное в соленоид или волоконный световод, изготовленный из магнитооптического стекла, помещенный в соленоид.

Пример 6. То же, что в примере 5, но в качестве ячейки Фарадея использовали волоконный световод.

Пример 7. То же, что в примерах 1-5, но на входе нелинейного волновода накачка была поляризована под углом 45^o к вертикальной оси (у), параллельной оси эллипса эффективного показателя преломления в сечении волновода, т.е. вектор напряженности E излучения, поступающего на вход нелинейного волновода, направлен под углом 45^o к вертикальной оси (у), вдоль которой направлена ось эллипса эффективного показателя преломления в сечении волновода (фиг. 1б).

Изобретение может быть использовано для создания оптических модуляторов, лазерных затворов, усилителей слабых сигналов, оптических логических устройств, ретрансляторов в оптических линиях связи, оптических реле, регистраторов сверхмалых сигналов, оптических систем считывания информации из памяти на оптических дисках, позволяющих перезапись, и памяти на цилиндрических магнитных доменах, имеющей высокую плотность; а также получения коротких импульсов.

Формула изобретения

1. Модулятор на основе магнитооптического эффекта, содержащий оптически связанные магнитооптический элемент и разделитель излучений различных поляризаций, при этом магнитооптический элемент состоит из оптического элемента, выполненного из магнитооптического материала, и средства, создающего переменное магнитное поле в зоне пучка оптического излучения, отличающийся тем, что дополнительно содержит нелинейнооптический элемент, расположенный между магнитооптическим элементом и разделителем излучений различных поляризаций.

2. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит расположенный перед магнитооптическим элементом поляризатор.

3. Модулятор по п.1 или 2, отличающийся тем, что дополнительно содержит двулучепреломляющий элемент, расположенный между магнитооптическим и нелинейнооптическим элементами.

4. Модулятор по п.3, отличающийся тем, что двулучепреломляющий элемент выполнен в виде электрооптического кристалла, снабженного электрическими контактами, или волновода из электрооптического материала, снабженного электрическими контактами, или четвертьволновой пластинки, или двулучепреломляющего волновода, или акустооптического кристалла, или волновода из акустооптического материала.

5. Модулятор по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что нелинейнооптический элемент обладает двулучепреломлением.

6. Модулятор по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что нелинейнооптический элемент выполнен в виде нелинейного волновода.

7. Модулятор по п.6, отличающийся тем, что нелинейный волновод выполнен в виде волоконного световода.

8. Модулятор по п.7, отличающийся тем, что на входном и/или выходном торце волоконного световода сформирована линза.

9. Модулятор по п.6, отличающийся тем, что нелинейный волновод выполнен из стекла, легированного полупроводником.

10. Модулятор по п.6, отличающийся тем, что нелинейный волновод выполнен в виде нелинейной слоистой полупроводниковой структуры типа MQW с чередующимися слоями.

11. Модулятор по п.10, отличающийся тем, что полупроводниковая структура снабжена контактами для пропускания электрического тока через структуру в направлении, перпендикулярном слоям, соединенными с источником постоянного тока.

12. Модулятор по п.11, отличающийся тем, что нелинейный волновод на входе и/или выходе снабжен объективом, выполненным в виде цилиндрической линзы и/или градана.

13. Модулятор по п.12, отличающийся тем, что нелинейный волновод и объективы выполнены в виде единого модуля.

14. Модулятор по любому из пп.1 - 13, отличающийся тем, что разделитель излучений различных поляризаций и/или поляризатор выполнен в виде поляроида, или поляризационной призмы, или двоякопреломляющей призмы, или волноводного поляризатора.

15. Модулятор по п.14, отличающийся тем, что волноводный поляризатор выполнен в виде направленного волноводного ответвителя, разделяющего излучение различных поляризаций.

16. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что оптический элемент, входящий в состав магнитооптического элемента, выполнен пропускающим оптическое излучение, при этом средство, создающее переменное магнитное поле, выполнено в виде соленоида, расположенного вокруг оптического элемента.

17. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что оптический элемент, входящий в состав магнитооптического элемента, выполнен пропускающим оптическое излучение с участками различной намагниченности, при этом средство, создающее переменное магнитное поле в зоне пучка оптического излучения, выполнено в виде устройства перемещения оптического элемента в пространстве или устройства сканирования пучка модулируемого излучения по оптическому элементу.

18. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что оптический элемент, входящий в состав магнитооптического элемента, выполнен отражающим оптическое излучение с участками различной намагниченности, при этом средство, создающее переменное магнитное поле в зоне пучка оптического излучения, выполнено в виде устройства перемещения оптического элемента в пространстве или устройства сканирования пучка модулируемого излучения по оптическому элементу.

19. Модулятор по п.16, отличающийся тем, что оптический элемент выполнен в виде световода.

20. Модулятор по п.19, отличающийся тем, что на входном и/или выходном торце световода сформирована линза.

21. Модулятор по п. 19 или 20, отличающийся тем, что дополнительно снабжен по крайней мере одним соленоидом, расположенным вокруг световода.

22. Модулятор по любому из пп.9 - 21, отличающийся тем, что магнитооптический элемент соединен с нелинейнооптическим элементом, выполненным в виде световода, склейкой или посредством миниатюрного механического соединителя.

23. Модулятор по п.19, отличающийся тем, что магнитооптический элемент и нелинейнооптический элемент, выполненный в виде волновода, выполнены в виде одного отрезка световода.

24. Модулятор по п.19, отличающийся тем, что магнитооптический элемент, нелинейнооптический элемент, выполненный в виде волновода, и разделитель излучений различных поляризаций, представляющий собой волноводный поляризатор, выполнены в виде одного отрезка световода.

25. Модулятор по п.24, отличающийся тем, что волноводный поляризатор выполнен в виде направленного волноводного ответвителя.

26. Модулятор по п.24 или 25, отличающийся тем, что дополнительно содержит расположенный между магнитооптическим элементом и нелинейнооптическим элементом волновод, выполненный из двулучепреломляющего материала, при этом магнитооптический элемент, волновод, выполненный из двулучепреломляющего материала, нелинейный волновод и разделитель излучений различных поляризаций, представляющий собой волноводный поляризатор, выполнены в виде одного отрезка световода.

27. Модулятор по любому из пп.1 - 26, отличающийся тем, что дополнительно содержит стабилизатор температуры нелинейнооптического элемента, выполненный с возможностью выбора стабилизируемой температуры.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7