DE3842408A1 - Magnetooptischer wellenleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen magnetooptischen Wellenleiter mit einer auf einer Substratschicht aufge­ brachten magnetooptischen Schicht.

Ein derartiger Wellenleiter ist in der GB-A 15 29 374 beschrieben. Insbesondere bei der Verwendung für optische Isolatoren und Zirkulatoren besteht das Problem der Anpassung der Ausbreitungskonstanten β _TE und β _TM der im Wellenleiter führbaren TE-Moden bzw. TM-Moden. Deren Differenz Δ β muß für eine gute Isolierwirkung einen genau bestimmten Wert aufweisen. Für die meisten Anwendungen muß Δ β=0 sein.

Ein gewünschter Wert Δ β kann beim epitaxialen Aufwachsen einer magnetooptischen Schicht nicht mit hinreichender Genauigkeit erzielt werden. Toleranzbedingte Schichtab­ weichungen von weniger als 0,1µm ergeben bereits untragbare Änderungen des Werts Δ β. Deshalb sind Korrekturmaßnahmen erforderlich, um eine Phasenanpassung zu erreichen. Im bekannten Fall dient dazu eine mit Abstand zur magnetooptischen Schicht aufgebrachte Metallschicht. Die genau erforderliche Einstellung des Abstandes bereitet Schwierigkeiten.

Nach Optoelektr. Magazin 87, Seiten 238-246 kann auch eine anisotrope Deckschicht, welche aus gitterartig aufgedampf­ ten Streifen besteht, zur Phasenanpassung verwendet werden. Die Herstellung dieser bekannten Deckschicht ist aufwendig. Die Streifenperiode und die Streifenbreite können zwar theoretisch derart gewählt werden, daß z.B. ein Wert Δ β=0 resultiert. In der Praxis läßt sich dieser angestrebte Idealzustand aber nicht hinreichend sicher und genau erreichen. Einerseits ist eine theoretische Veraus­ bestimmung der Streifenbreite und der Streifenperiode relativ unsicher und andererseits können die erzielten Daten wegen unvermeidbarer Herstellungstoleranzen vom gewollten Wert erheblich abweichen.

Ein in Proc. ECOC, Barcelona, 1986, beschriebenes Verfah­ ren, bei welchem die Einstellung von Δ β durch gezielt von außen aufgebrachte mechanische Spannung möglich ist, erfordert aufwendige und sperrige Zusatzeinrichtungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wellen­ leiter der eingang genannten Art anzugeben, welcher kompakt aufgebaut ist und bei welchem ein gewünschter Wert von Δ β auf einfache Art genau erzielbar ist.

Die Lösung gelingt dadurch, daß auf die magnetooptische Schicht eine Dünnschicht ganzflächig mit gleichmäßiger Dicke aufgebracht ist, welche aus einem optisch transpa­ renten nicht metallischen Material besteht und deren Brechungsindex kleiner ist als die Brechungsindizes der magnetooptischen Schicht und der Substratschicht, und deren Dicke kleiner ist als 0,3 µm.

Erfindungsgemäß ergibt sich ein Vierschicht-Wellenleiter, bei welchem zwischen den praktisch wie unendlich dicke Schichten wirkenden Randschichten, der Substratschicht und der Luftschicht, nicht nur die magnetooptische Schicht, sondern zusätzlich eine zwischen dieser und der Luft­ schicht aufgebrachte Dünnschicht vorgesehen ist. Eine sol­ che Dünnschicht muß optisch dämpfungsarm und so dünn sein, daß sowohl sie als auch die darüberliegende Luftschicht die Feldverteilung in der magnetooptischen Schicht beein­ flußt. In der Dünnschicht soll wie in der Luftschicht die Feldstärke nach einer e-Funktion abfallen und nicht gemäß sin- oder cos- Funktionen, wie in der eigentlichen magnetooptischen leitenden Kernschicht.

Der jeweils erforderliche Wert der Dicke der Dünnschicht hängt von den physikalischen und geometrischen Daten der magnetooptischen Schicht sowie natürlich von dem Brechungsindex des Dünnschichtmaterials ab und läßt sich theoretisch derart ermitteln, daß eine gewünschte Änderung des Wertes Δ β erreicht wird.

Eine unmittelbare Anlage der Dünnschicht an der magneto­ optischen Schicht ohne Ausbildung einer optisch störenden Grenzschicht ergibt sich bereits durch die van der Waalschen Haltekräfte. Es ist erforderlichenfalls möglich, chemische Brücken zwischen Atomen der Dünnschicht und der magnetooptischen Schicht auszubilden. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, die Moleküle der Dünnschicht chemisch zu verketten.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Lösung besteht die Dünnschicht aus einer Mehrzahl von Einzelbeschichtungen. Dabei können nach und nach Einzelbeschichtungen aufge­ bracht werden, bis der gewünschte Wert Δ β gemessen wird. Jede Einzelbeschichtung ergibt einen sehr kleinen Δ β - Sprung, so daß der Sollwert mit äußerster Genauigkeit ansteuerbar ist.

Eine bevorzugte Ausführung besteht darin, daß die Dünn­ schicht aus amphiphilen Molekülen besteht, deren Längs­ achsen senkrecht zur magnetooptischen Schicht ausgerichtet sind. Dafür geeignete Materialien sind z.B. Arachinsäure oder auch Stearinsäure. Dabei handelt es sich um langket­ tige Moleküle, deren eines Ende ein polares und deren anderes Ende ein apolares Verhalten aufweist.

Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines magneto­ optischen Wellenleiters, bei welchem zunächst auf eine Substratschicht eine magnetooptische Schicht aufgebracht wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß auf die magnetoopti­ sche Schicht eine Dünnschicht aus einem optisch transpa­ renten Material aufgebracht wird, deren Brechungsindex kleiner ist als die Brechungsindizes der magnetooptischen Schicht und der Substratschicht, und deren Dicke derart bestimmt ist, daß der gemessene Wert der Differenz Δ β der Ausbreitungskonstanten β _TM einer transversal magneti­ schen Welle und β _TE einer transversal elektrischen Welle einen vorgegebenen Wert, insbesondere Δ β=0, hat. Dabei wird bevorzugt, daß die Dünnschicht in Form von mehreren Einzelbeschichtungen aufgebracht wird, und daß nach einer oder mehreren Beschichtungen Kontrollmessungen des erreichten Wertes von Δ β durchgeführt werden.

Gemäß einer bevorzugten Lösung werden die Einzelbeschich­ tungen durch Aufbringen amphiphiler Moleküle nach dem Langmuir-Blodgett-Verfahren hergestellt. Das an sich bekannte Langmuir-Blodgett-Verfahren ist in "Advances in Physics" 1985, Seiten 475-512 näher beschrieben. Dabei werden Einzelschichten mit einer Dicke der Länge der Mole­ küle der amphiphilen Materialien aufgebracht. Folglich ergeben sich sehr geringe Dicken der Einzelbeschichtungen, welche in entsprechender Anzahl ein äußerst genaues Ansteuern des gewünschten Wertes von Δ β ermöglichen.

In der Praxis wird die magnetooptische Schicht mit einer Dicke hergestellt, welche kleiner als die ohne Dünnschicht zur Erzielung eines gewünschten Wertes von Δ β erforder­ liche Dicke ist. Die magnetooptische Schicht wird also zunächst bewußt kleiner als der ohne Dünnschicht erforder­ liche Wert, aber diesem Wert möglichst nahe kommend, be­ messen. Die Fehldicke wird durch die Dünnschicht ersetzt, welche durch aufeinanderfolgendes Aufbringen von Einzel­ schichten hergestellt wird, bis der gewünschte Wert von Δ β erreicht ist.

Die Erfindung wird anhand der Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Anordnung zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Wellenleiters.

Fig. 2 zeigt für drei verschiedene magnetooptische Schichtaufbauten den Zusammenhang zwischen der Dicke d ₂ der Dünnschicht und der dadurch kompensierten Fehldicke Δ d ₁ der magnetooptischen Schicht.

Auf dem im Behälter 1 befindlichen Wasser 2 wurden Mole­ küle der Arachinsäure ausgebreitet und derart zusammenge­ schoben, daß eine dichte Einmolekülschicht 3 aus aufge­ richteten Arachinmolekülen entstand, welche mit ihrem polaren Ende zur Wasseroberfläche gerichtet sind. Bis unter den Wasserspiegel wurde ein Wellenleiterrohling getaucht, der aus einer GGG-Substratschicht 4 und einer epitaxial aufgewachsenen magnetooptischen YIG-Schicht 5 besteht. An die nicht zu beschichtende Endfläche der Substratschicht 4 ist eine Abdeckung 6 gelegt. Beim Herausziehen des Wellenleiterrohlings in Richtung des Pfeils 7 werden die Moleküle der Arachinsäure auf die magnetooptische Schicht 8 übertragen und haften an ihr mit ihrem polaren Ende. Dabei müssen natürlich in bekannter Weise hier nicht dargestellte Einrichtungen zum Nach­ schieben der Arachinmoleküle auf dem Wasserspiegel vorge­ sehen werden.

Nach einer oder einer Mehrzahl von in der beschriebenen Weise aufgebrachten Einzelbeschichtungen wird der beschichtete Wellenleiterrohling in die oben dargestellte Position in den Strahlengang einer Meßeinrichtung geschwenkt. Dort wird der erreichte Istwert von Δ β ermittelt und kontrolliert, ob bereits der Sollwert Δ β=0 erreicht wurde. Die Messung erfolgt in bekannter Weise. Von einer Lichtquelle 9 ausgehende Strahlung wird über einen Polarisator 10 und ein Objektiv 11 auf die Stirn­ fläche der magnetooptischen Schicht 5 fokussiert. Infolge der Fokussierung ist gesichert, daß die von der magneto­ optischen Schicht führbaren Moden angeregt werden. Die austretende Strahlung wird über ein Objektiv 12, über einen dreheinstellbaren Kompensator 13 und einen drehein­ stellbaren Polarisator 14 geleitet. Die Lichtintensität wird mit dem optischen Detektor 15 bei zwei um 90° gedrehten, den Schwingungsebenen der Moden entsprechenden Stellungen des Polarisators 10 gemessen. Bei Δ β=0 darf aus dem Wellenleiter kein elliptisch polarisiertes Licht austreten.

Sollte sich ergeben, daß nach einer Beschichtungsfolge noch nicht der Sollwert von Δ β bzw. der Wert Δ β=0 erreicht ist, können in der beschriebenen Weise weitere Beschichtungen aufgebracht werden, bis der Sollwert von Δ β bzw. Δ β=0 gemessen wird.

Man erhält schließlich einen kompakten planaren magneto­ optischen Wellenleiter mit äußerst genauem Sollwert von Δ β. Dabei sind keine für die Anwendung des Wellenleiters störenden äußeren Justiereinrichtungen erforderlich.

Die Dicke d ₂ der aufzubringenden Dünnschicht 8 hängt davon ab, um welches Maß Δ d ₁ die magnetooptische Schicht 5, bezogen auf d ₂=0, zu dünn ist. Diesen Zusammenhang zur Erzielung von Δ β=0 für eine Licht-Wellenlänge λ=1,3 µm zeigt Fig. 2 für drei verschiedenartige magnetooptische Schichtaufbauten YIG 1, YIG 2 und YIG 3. Der Brechungsindex der Substratschicht 4 ist jeweils n _s =1,95 und der Brechungsindex der Dünnschicht 8 ist jeweils n _d =1,5 (jeweils in allen drei Koordinatenrichtungen gleich).

Der Brechungsindex der magnetooptischen Schicht in Ausbreitungsrichtung des Lichts und senkrecht dazu in der Schichtebene ist in allen drei Fällen n′′ _m = 2,2. In orthogonaler Richtung zur Schichtebene gelten für Fig. 2 die Brechungsindizes n _m ^┴ und die Dicken d₁ in µm wie folgt:

für YIG 1: n _m ^┴ = 2,20002 d₁ = 10,0-Δ d₁
für YIG 2: n _m ^┴ = 2,2002  d₁ =  4,5-Δ d₁
für YIG 3: n _m ^┴ = 2,202   d₁ =  2,0-Δ d₁

Claims (8)

1. Magnetooptischer Wellenleiter mit einer auf einer Sub­ stratschicht (4) aufgebrachten magnetooptischen Schicht (5), dadurch gekennzeichnet, daß auf die magnetooptische Schicht (5) eine Dünnschicht ganzflächig mit gleichmäßiger Dicke aufgebracht ist, welche aus einem optisch transpa­ renten nicht metallischen Material besteht und deren Brechungsindex kleiner ist als die Brechungsindizes der magnetooptischen Schicht (5) und der Substratschicht (4), und deren Dicke kleiner ist als 0,3µm.

2. Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnschicht (8) durch van der Waalsche Kräfte an der magnetooptischen Schicht (5) gehalten ist.

3. Wellenleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnschicht (8) aus einer Mehrzahl von Einzelbeschichtungen besteht.

4. Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnschicht (8) aus amphi­ philen Molekülen besteht, deren Längsachsen senkrecht zur magnetooptischen Schicht (5) ausgerichtet sind.

5. Verfahren zur Herstellung eines magnetooptischen Wellenleiters, bei welchem zunächst auf eine Substrat­ schicht (4) eine magnetooptische Schicht (5) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf die magnetooptische Schicht (5) eine Dünnschicht (8) aus einem optisch transparenten Material aufgebracht wird, deren Brechungsindex kleiner ist als die Brechungsindizes der magnetooptischen Schicht (5) und der Substratschicht (4), und deren Dicke derart bestimmt ist, daß der gemessene Wert der Differenz Δ b der Ausbreitungskonstanten β _TM einer transversal magnetischen Welle und β _TE einer transversal elektrischen Welle einen vorgegebenen Wert, insbesondere Δ β=0, hat.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnschicht (8) in Form von mehreren Einzelbeschichtungen aufgebracht wird, und daß nach einer oder mehreren Beschichtungen Kontrollmessungen des erreichten Wertes von Δ β durchgeführt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelbeschichtungen (8) durch Aufbringen amphiphiler Moleküle nach dem Langmuir-Blodgett-Verfahren hergestellt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetooptische Schicht (5) mit einer Dicke hergestellt wird, welcher kleiner als die ohne Dünnschicht (8) zur Erzielung eines gewünschten Wertes von Δ β erforderliche Dicke ist.