Проектування вентилю для оптичної системи зв’язку на одновимірному фотонному кристалі

 

- Вентилі з двома феритовими пластинами.

У конструктивному відношенні такий вентиль трохи складніше, ніж вентиль з однією пластиною. Щодо електричних характеристик обидва зазначені  вентилі можна вважати в першому наближенні рівноцінними.

- Вентиль на круглому хвилеводі з поздовжньо намагніченим ферритом.

У даному вентилі використовується відмінність структури поля кругових хвиль Н₁₁ правого і лівого обертань. Схема вентиля представлена ​​на рис. 2.5.

Рис. 2.5 – Схема вентилю з поздовжньо намагніченим ферітом

 

Феритовий стрижень або покривається поглинаючої плівкою, або робиться порожнім з металевим стержнем всередині. Оскільки лівополяризована хвиля Н₁₁ сконцентрована в фериті, вона буде в ньому сильно згасати. У той же час втрати хвилі правого обертання будуть невеликі.

Недоліком даного вентиля  є більша його довжина, що пов'язано  з необхідністю використання двох поляризаторів, що перетворюють лінейнополяризовані хвилі у хвилі кругової поляризації.

Перевагою вентиля на круглому хвилеводі є порівняно невелика величина зовнішнього магнітного поля, що спрощує магнітну систему.

 

 

2.4.3. Граничні вентилі

 

Граничний вентиль заснований на використанні явища невзаємної граничності.

Конструктивно граничний  вентиль являє собою ділянку  прямокутного хвилеводу звуженого  перетину, в якому розташована  товста феритова пластина. З обох сторін вентиля є узгоджуючі елементи, показані на рис. 2.6, у вигляді ємнісних діафрагм.

Рис. 2.6 – Конструкція граничного вентилю

 

Феритова пластина намагнічується поперечним полем, яке створюється  постійним магнітом такої же конфігурації, що і для вентиля резонансного типу. Значення напруженості магнітного поля обираєтся таким, щоб величина μ _┴ була від’ємною. В області полів, які відповідають від’ємним значенням μ _┴, зворотня хвиля відчуває сильне згасання, так як хвилевід з феритом є для неї граничним. У прямому напрямку може поширюватися поверхнева феритова хвиля, і тому втрати її невеликі. По мірі наближення поля до області поперечного феромагнітного резонансу втрати прямої хвилі зростають.

Ферит для такого вентилю повинен мати вузьку ширину резонансної кривої і не дуже великі діелектричні втрати. Намагніченість насичення фериту повинна бути порівняно високою.

Граничні вентилі можуть працювати на невисокому рівні потужності. Це пов'язано з появою нелінійних ефектів в фериті, що призводять до зростання прямих втрат.

Граничний вентиль може бути створений і в разі круглого хвилеводу  з поздовжньо намагніченим ферритом, в якому має місце явище невзаємної граничності для кругових хвиль правого і лівого обертань. Такий вентиль вимагає, однак, застосування поляризаторів і тому буде мати більшу довжину.

 

2.5 ПРИКЛАДИ КОНКРЕТНИХ РЕАЛІЗАЦІЙ МАГНІТООПТИЧНИХ ВЕНТИЛІВ

 

2.5.1 Оптичний вентиль з циркулярною поляризацією

 

Залежність  різниці показників заломлення право-і левоциркулярного світла від величини магнітного поля може бути використано для створення внутрирезонаторного вентиля, призначеного для виконання двох функций:

- захисту задаючого лазера від впливу випромінювання лазера-підсилювача,

- введення випромінювання задаючого генератора в резонатор керуємого генератора, минаючи його торцеві дзеркала.

Рис. 2.7 - Схема двокаскадного лазерного передавача з внутрірезонаторним оптичним вентилем

 

Схема двокаскадного лазерного передавача з вентилем, використовуючим циркулярну поляризацію, приведена на рис. 2.3, де прийнято такі позначення: 1 - задаючий лазер 2 - поляризатор, 3 і 8 - чвертьхвильові пластини, 4 - магнитооптичний елемент, 5 - заднє дзеркало резонатора лазера-підсилювача, 6 - магніт, 7 - переднє дзеркало резонатора лазера-підсилювача, 9 - активне середовище лазера-підсилювача.

Випромінювання від задаючого лазера 1 потрапляє на діагональ елемента 4, що представляє собою склейку тригранної і чотиригранної призм з різних магнітооптичних матеріалів. За рахунок магнітооптичного ефекту Фарадея випромінювання відбивається від діагоналі елемента 4 і потрапляє в резонатор лазера-підсилювача.

Випромінювання, що поширюється  в резонаторі лазера-підсилювача, має  хвильовий вектор, перпендикулярний напрямку магнітного поля, тому для  цього світла ефект Фарадея відсутній, внаслідок чого випромінювання проходить через діагональ магнитооптичного елемента без відбиття.

Запропонований  варіант внутрірезонаторного оптичного  вентиля з циркулярною поляризацією здійснює введення задаючого випромінювання, минаючи дзеркала лазера-підсилювача, тому коефіцієнт відбиття заднього дзеркала може бути зроблений досить високим, що поліпшить характеристики лазерного передавача.

 

2.5.2 Магнитооптичний вентиль з системою n дзеркал

 

Такий магнитооптичний вентиль містить послідовно розташовані на оптичній осі:

- поляризатор,

-амплітудний світлоподілювач, що містить N послідовно розташованих світлоподілювальних дзеркал,

- на шляху кожного прямого променя, який вийшов з світлоподілювача, розташований відповідний магнитооптичний обертач площини поляризації, поміщений в поздовжнє магнітне поле магнітної системи з осьової намагніченістю,

- на шляху кожного прямого променя, що вийшов з N магнітооптичних обертачів площини поляризації розташований відповідний оптичний фазообертач,

- на шляху прямих променів, що вийшли з оптичних фазообертачів послідовно розташовані система з N дзеркал і амплітудний оптичний змішувач з N входами для прямих променів і одним виходом для прямого променя, що потрапляє на аналізатор.

Технічний результат - підвищення споживчих властивостей шляхом збільшення променевої стійкості.

 

2.5.3 Дворежимний магнітооптичний вентиль

 

Рис.2.8 - Функціональна схема дворежимного магнітооптичного вентилю

 

Функціональна схема першого варіанту магнитооптичного вентилю наведена на рис. 2.8, де прийнято такі позначення: 1 - поляризатор, 2 – перша збираюча лінза, 3 - діафрагма, 4 - друга збираюча лінза, 5 - акустооптичний сканер, 6 - світлоподілювач, 7 - магнітна система, 8 - магнитооптичний ротатор, 9 - аналізатор, 10 - фотоприймач, 11 - електронний компаратор, 12 - джерело напруги, 13 - електронний ключ, 14 - генератор. 
При впливі на магнитооптичний вентиль оптичної перешкоди більшої потужності його параметри погіршуються: знижується пропускання в прямому напрямку і збільшується пропускання в зворотньому напрямку.

 

 

3. ЯВИЩА ВІДБИТТЯ ТА ПРОХОДЖЕННЯ ХВИЛІ В АНІЗОТРОПНОМУ СЕРЕДОВИЩІ

 

Поширення електромагнітних хвиль досліджується досить широко, цьому питанню присвячено безліч публікацій і монографій. 
Для шаруватих структур вирішують як лінійні, так і нелінійні задачі [19]. До лінійних задач відносять задачі відбиття від предметів довільної форми, а також розрахунок і проектування хвилєведучих структур, фільтрів, та ін Нелінійні задачі  - генерація другої і третьої гармоніки, Блоховські коливання, бістабільні структури, і т.д.

Лінійні завдання вирішуються як чисельними, так і аналітичними методами. Найбільш поширеними чисельними методами є методи інтегральних рівнянь і FTDT, аналітичними - метод матриць перетворення і методи малого параметра. Використовувані в даній роботі метод матриці перетворення, а також матриць проходження та відбиття, є найбільш поширеними аналітичними методами для розрахунку поведінки електромагнітної хвилі в розглянутих середовищах. Для анізотропних кристалів - це 4 x 4 матриця перетворення і 2 х 2 матриця відбиття (проходження).

Серед завдань, що вирішуються в теорії шаруватих середовищ, найбільш часто вивчають ефекти проходження, і відбиття хвилі падаючої як нормально, так і під довільним кутом. Для анізотропних шаруватих середовищ, серед інших, знайдені ефекти повного внутрішнього відбиття при будь-якому куті падіння, існування неоднорідних хвиль і т.д. Також інтерес представляє вивчення поверхневих хвиль в таких середовищах [18].

 

3.1 ТИПИ І ВЛАСТИВОСТІ МАТЕРІАЛЬНИХ СЕРЕДОВИЩ

 

3.1.1 Матеріальні рівняння

 

В макроскопічній елеродінаміці встановлено, що вектори поля D і В (електрична і магнітна індукції), а також щільність струму провідності j пов'язані з напруженістю поля Е і Н співвідношеннями, що залежать від властивостей середовища. Зазвичай існують зв'язки:

 

D = D(Е), В = В(Н), j = j(Е).                                 (3.1)

 

Найпростіша інтерпретація цього запису полягає в тому, що, напри-мер, індукція D (r, t) цілком визначається напруженістю Е (r, t) в тій же точці простору М (г) і в той же момент часу t (аналогічно розглядаються В і j). Іншими словами, процеси в середовищі вважаються локальними і безінерційними: в кожній точці стан не залежить від навколишнього середовища і в кожний момент часу - від «передісторії». Хоча таке трактування  є спрощеним, воно застосовне в багатьох випадках. При цьому замість (3.1) пишуть:

 

D = ε₀εЕ,                                                    (3.2)

 В = μ₀μН,                                                  (3.3)

j = σЕ.                                                       (3.4)

 

Величини ε і μ називаються відповідно відносною діелектричною проникністю і відносною магнітною проникністю (повні коефіцієнти ε₀ε = εa, і μ₀μ = μa - абсолютні проникності), а σ - питомою провідністю.

Співвідношення (3.1) і всі їх можливі форми, включаючи (3.2) - (3.4), називають матеріальними рівняннями.

Величини ε, μ і σ виступають як параметри середовищ. 
У більшості випадків ε, μ і σ можуть розглядатися як скалярні коефіцієнти векторів. Це означає, що вектори Е і D, Н і В, Е і j колінеарні, а властивості середовища не залежать від напрямку поля.

Середовища, що характеризується скалярними ε, μ і σ, називаються ізотропними.

Проте взагалі матеріальні рівняння розглядаються як лінійні однорідні перетворення. Таким чином, параметри ε, μ і σ виступають як матриці. У цих випадках вживають назви: тензор діелектричної проникності, тензор магнітної проникності, тензор питомої провідності.

Середовища, що характеризуються тензорними параметрами, називають анізотропними. При анізотропії властивості середовища залежать від напряму векторів поля. Вектори E і D, Н і В, Е і j вже не утворюють (у загальному випадку) колінеарні пари.

Кажуть, що середовище однорідне в області V, якщо параметри ε, μ і σ (скаляри або тензори) постійні у V. Якщо ж їх слід розглядати як функції координат, то середовище неоднорідне. Кусково-однорідними називають середовища, параметри яких приймають різні постійні значепія в різних областях.

Нарешті, параметри ε, μ і σ в більшості випадків можпо вважати пе залежними від векторів поля. Матеріальні рівняння (3.2) - (3.4) при цьому лінійні. Лінійними називають і відповідні середовища. Нелінійність більшості середовищ виявляється тільки в дуже сильних полях. [15]

 

3.1.2 Анізотропія та гіротропія

 

Як було сказано вище, властивості анізотропного середовища - електричні або магнітні - можуть залежати від напрямку. При цьому параметри матеріальних рівнянь слід озглядати як матриці. Так, анізотропний діелектрик описується за допомогою тензора діелектричної проникності ε, і матеріальне рівняння (3.2) в координатному записі приймає вигляд:

 

                            (3.5)

 

Анізотропію можуть проявляти  кристалічні середовища, характерною властивістю яких є впорядкованість будови. Розглянемо систему поляризованих частинок. Нехай виділено макроскопічно малий обсяг ΔV, що містить досить велику кількість частинок (рис 3.1).

 

 

Рис.3.1 - Система поляризованних частинок в об’ємі ΔV

 

Якщо допустити, що при заданому зовнішньому полі середнє значення Е в будь-якій точці залежить тільки від щільності частинок, то при всіх напрямках поля обсяг ΔV набуває один і той же по абсолютним значенням момент рΔV, який кожен раз паралельний Е (ср (а ) (б), (в)). Середа проявляє себе як ізотропна.

Але при певних типах впорядкування часток їх поляризація залежить від напрямку зовнішнього поля.

Рис. 3.2 - Об’єм ΔV, поляризація частинок якого залежить від напряму зовнішнього поля

 

Нехай (рис.3.2) в двох випадках (а) і (б) під впливом зовнішнього поля виникають паралельні йому, але різні за абсолютною величиною електричні моменти рΔV (вони позначені стрілками різної довжини). Вочевидь, що в третьому випадку (в) вектори рΔV і Е вже не паралельні. Це анізотропія. В якості найпростішої причини її походження можна уявити собі, що в одному напрямку (рис. a) частки йдуть частіше, ніж в іншому (рис. б). При належному розташуванні координатних осей х, у, z тензор діелектрічної проникності буде діагональним:

 

                                               (3.6)

 

Якщо структура характеризується тільки одним виділеним напрямом, з яким сполучена вісь z, то в (3.6) ε_x = ε_y ≠ ε_z. Середовище називається в такому випадку одноосним.

 

3.1.3 Гіротропія намагниченної плазми

 

Якщо в задачі про плазму в змінному електромагнітному полі ввести ще постійне магнітне поле Н₀ = z₀H₀, то на заряджені частинки буде також діяти лоренцева сила. Це призведе до характерної анізотропії середовища, яке буде описуватися вже не скалярною діелектричною проникністю, а тензором:

 

                                        (3.7)

де

 

 

 

 

причому

 

 

 

Анізотропія, при якій тензор ε має вигляд (3.7), називається гіротропія. Неважко збагнути, чому плазма в постійному магнітному полі виявляється гіротропною. Якщо напруженість змінного електричного поля Е, а з ній і швидкість електрона v, має проекцію па площину, перпендикулярну вектору В₀ постійного поля, то електрон «закручується» в цій площині [15]. Тому крім паралельних Е комнопеіт Р і D з'являються і перпендікулярні компоненти, що лежать в квадратурі.

Повертаючись до формул (3.7) і (3.8), відзначимо, по-перше, що вздовж напрямку постійного підмагнічування (вісь z) плазма зберігає колишні властивості. По-друге, формули (3.8) свідчать про резонансний характер процесу в намагніченій плазмі.