ИЗОЛЯТОР ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2022 года по МПК G02B5/30 G02B27/28 G02F1/09 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области оптической техники, в частности к устройству одностороннего пропускания терагерцового (ТГц) излучения (ν=0,1÷10 ТГц или λ=30÷3000 мкм) на основе эффекта Фарадея, и может быть использовано в качестве элемента оптической развязки.

Уровень техники

Одними из наиболее перспективных областей применения ТГц излучения являются системы связи и радиолокации. Развитие таких областей требует реализации невзаимных устройств, таких как оптический вентиль, также называемый оптическим изолятором, которые будут способны обеспечить как защиту источника ТГц излучения, так и оптическую развязку, а также снижение уровня шумов и подавление помех.

Некоторые источники ТГц излучения очень чувствительны к воздействию переотражённого излучения. В частности, отраженное назад ТГц излучение сказывается на стабильности источника этого излучения. Поэтому, чтобы предотвратить попадание переотражённого ТГц излучения на источник, и, тем самым, гарантировать его стабильную работу, необходимо блокировать отражённое назад излучение с минимальным воздействием на полезный ТГц сигнал, распространяющийся в прямом направлении от источника.

Существует целый ряд оптических изоляторов, которые работают в видимом и ближнем инфракрасном излучении, в том числе, за счёт эффекта Фарадея. Распространённый способ достижения изоляции ТГц излучения заключается в использовании магнитооптических материалов, например, керамики на основе оксидов редкоземельных металлов. Так, из патентной публикации WO 2013/085040 A1, МПК G02B27/28, опубл. 13.06.2013, известен оптический изолятор для полупроводникового лазера, содержащий вращатель Фарадея, выполненный, в частности, из керамики на основе оксида иттербия. Из патентной публикации JP 2015-125375 A, МПК G02B27/28, опубл. 06.07.2015, известен оптический изолятор для полупроводникового лазера, содержащий вращатель Фарадея, полученный из керамики на основе оксида тербия с примесью скандия, иттрия или лютеция.

Кроме того, из патентной публикации WO 2020/250936 A1, МПК G02B27/28; G02F1/09, опубл. 30.04.2020, известен оптический изолятор для волоконного лазера, содержащий вращатель Фарадея, состоящий из монокристалла типа, выбранного из группы: тербий-галлиевый гранат, тербий-алюминиевый гранат, тербий-скандий-алюминиевый гранат и т.п.

Тем не менее, к настоящему моменту отсутствуют материалы, способные вращать плоскость поляризации ТГц излучения в широком диапазоне частот, не внося при этом значительных потерь.

Среди предлагаемых решений для ТГц диапазона частот можно отметить изолятор на основе графена, работающий в схеме на отражение, см. статью (Tamagnone M. et al. Near optimal graphene terahertz non-reciprocal isolator //Nature communications. – 2016. – Т. 7. – №. 1. – С. 1-6). Однако такой тип изолятора обладает рядом недостатков. В частности, он вносит существенные потери и способен работать только в сильном внешнем магнитном поле с магнитной индукцией до 7 Тл.

Кроме того, известен тип изоляторов ТГц излучения на основе полупроводника, антимонида индия, см. статью (Lin S. et al. A One-Way Mirror: High-Performance Terahertz Optical Isolator Based on Magnetoplasmonics //Advanced Optical Materials. – 2018. – Т. 6. – №. 19. – С. 1800572). Несмотря на невысокие внешние магнитные поля, требующиеся для работы такого типа изолятора, он характеризуется узким рабочим спектральным диапазоном.

Из статьи (Shalaby M. et al. A magnetic non-reciprocal isolator for broadband terahertz operation //Nature communications. – 2013. – Т. 4. – №. 1. – С. 1-7) известен изолятор ТГц излучения, основанный на эффекте Фарадея в объёмном постоянном стронций ферритовом магните. Основным недостатком данного решения являются высокие потери в гексаферрите стронция, которые значительно снижают уровень полезного сигнала и диапазон рабочих частот изолятора.

Таким образом, в настоящее время актуальной задачей является разработка широкополосного изолятора ТГц излучения с низкими потерями.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей настоящего изобретения является разработка компактного устройства, которое пропускает ТГц излучение в диапазоне частот от 0,1 до 0,65 ТГц только в одном направлении, по существу блокируя распространение отражённого ТГц излучения в обратном направлении, и при этом не требует использования внешнего магнитного поля.

Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, состоит в снижении пропускания ТГц излучения, распространяющегося в обратном, т.е. нежелательном, направлении до уровня не более 1% при одновременно высоком пропускании в прямом направлении на уровне не менее 20% в диапазоне частот от 0,1 до 0,65 ТГц.

Основными элементами устройства являются вращатель Фарадея, выполненный из высокоплотного намагниченного до насыщения гексаферрита бария-алюминия с химической формулой BaAl_1.4Fe_10.6O₁₉, и два плёночных поляризатора, расположенных по обе стороны от указанного вращателя.

Устройство функционирует следующим образом: сгенерированное источником ТГц излучение, проходя через первый поляризатор, преобразуется в линейно поляризованное. Затем указанное линейно поляризованное ТГц излучение проходит через вращатель Фарадея, и за счёт эффекта Фарадея происходит вращение угла плоскости поляризации этого излучения на 45°. Далее указанное ТГц излучение проходит через выходной поляризатор, ориентированный под углом 45° относительно входного поляризатора таким образом, чтобы направление поляризации на выходе из вращателя Фарадея совпадало с направлением оси выходного поляризатора. Следовательно, на выходе из устройства плоскость поляризации выходного излучения оказывается повёрнутой на угол 45° относительно плоскости поляризации излучения на входе в устройство. При этом, при прохождении отражённого ТГц излучения в обратном направлении также происходит вращение угла плоскости поляризации на 45°, в связи с чем отражённое назад ТГц излучение становится поляризованным в ортогональном направлении к оси входного поляризатора. Однако как известно, в случае, когда плоскость поляризации излучения перпендикулярна плоскости пропускания поляризатора, излучение не может пройти сквозь него. Таким образом, достигается блокировка распространения ТГц излучения в обратном направлении.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в качестве материала основного функционального элемента – вращателя Фарадея – используется материал с высокой остаточной намагниченностью и низким поглощением в ТГц диапазоне частот. В качестве такого материала предлагается использовать диск из высокоплотного намагниченного до насыщения гексаферрита бария-алюминия с химической формулой BaAl_1.4Fe_10.6O₁₉, имеющий плотность ρ (г/см³), которая определяется из соотношения:

.

Указанный диск может иметь следующие геометрические размеры: диаметр 30 мм и толщину H (мм), которая определяется с помощью соотношения:

.

Апертура используемых в составе устройства плёночных поляризаторов составляет 25 мм. При этом коэффициент экстинкции поляризаторов устройства имеет величину 10⁵ и более во всем рабочем диапазоне частот от 0,1 до 0,65 ТГц.

Краткое описание чертежей

Ниже только в качестве примера раскрыт предпочтительный вариант осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

на Фиг. 1 схематически показан общий вид устройства в сборе согласно изобретению;

на Фиг. 2 схематически показано устройство с Фиг. 1 в разрезе;

на Фиг. 3 показана схема, поясняющая принцип работы устройства согласно изобретению;

на Фиг. 4 представлена спектральная характеристика угла вращения плоскости поляризации при прохождении ТГц излучения через один из вариантов осуществления вращателя Фарадея согласно изобретению;

на Фиг. 5 показан спектр пропускания одного из вариантов осуществления вращателя Фарадея согласно изобретению.

Осуществление изобретения

На Фиг. 1 показан общий вид устройства 1 одностороннего пропускания ТГц излучения на основе эффекта Фарадея. Как показано на Фиг. 2, устройство 1 содержит входной поляризатор 2, вращатель 3 Фарадея и выходной поляризатор 4, расположенные на одной оптической оси 5 и закреплённые в держателе 6.

Держатель 6 выполнен из немагнитного материала, например, дюралюминия, и содержит в себе следующие элементы: основной корпус 7, крепление 8 для вращателя 3 Фарадея и прижимное кольцо 9 для него, крепление 10 для входного поляризатора 2 и прижимное кольцо 11 для него, крепление 12 для выходного поляризатора 4 и прижимное кольцо 13 для него.

При использовании устройства 1 ТГц излучение проходит через входной поляризатор 2, который далее пропускает только линейно поляризованное излучение, затем проходит через вращатель 3 Фарадея, где плоскость поляризации линейно поляризованного излучения поворачивается на угол 45°, и далее попадает на выходной поляризатор 4, ось которого расположена под углом в 45° по отношению к оси входного поляризатора 2. Таким образом, плоскость поляризации ТГц излучения на выходе из устройства оказывается повёрнута на угол 45° относительно плоскости поляризации ТГц излучения на входе в устройство. Для отражённого назад излучения справедливо то, что через выходной поляризатор 4 проходит только та часть излучения, поляризация которого совпадает с осью выходного поляризатора 4. Плоскость поляризации для прошедшего назад излучения при прохождении через вращатель 3 Фарадея ещё раз поворачивается на угол 45° таким образом, что распространяющееся назад излучение при попадании на входной поляризатор 2 имеет плоскость поляризации, расположенную под углом 90° по отношению к оси входного поляризатора 2. Таким образом, отражённое назад излучение не проходит через всё устройство в обратном направлении.

Для реализации заявленного изобретения необходимо было решить задачу по обеспечению вращения плоскости поляризации на угол 45° в широком диапазоне частот при прохождении излучения через вращатель Фарадея. Авторы изобретения выявили, что в качестве вращателя Фарадея можно использовать диск гексаферрита М-типа (с химической формулой BaAl_1.4Fe_10.6O₁₉) плотностью 4,91 г/см³, толщиной 2,8 мм и диаметром 30 мм. Соответствующий спектр вращения плоскости поляризации показан на Фиг. 3, из которой видно, что вращатель 3 Фарадея поворачивает плоскость поляризации излучения примерно на угол 45° по существу в диапазоне частот от 0,1 до 1 ТГц, предпочтительно в диапазоне частот от 0,1 до 0,65 ТГц, ещё более предпочтительно в диапазоне частот от 0,45 до 0,65 ТГц.

При помощи импульсной ТГц спектроскопии и, в частности, пространственно-временного ТГц спектрометра Menlo Systems TERA K8 (спектральный диапазон до 3,5 ТГц, частотное разрешение 3 ГГц, динамический диапазон 65 дБ) был измерен спектр пропускания излучения в прямом и обратном направлении. В последнем случае заявленное устройство поворачивалось на 180° относительно направления распространения ТГц излучения. Как показано на Фиг. 5, из полученных результатов следует, что устройство согласно изобретению обеспечивает пропускание излучения в диапазоне частот от 0,1 до 0,65 ТГц в прямом направлении на уровне не менее 20% и при этом снижает пропускание в обратном направлении до уровня не более 1% в диапазоне от 0,3 до 1 ТГц.

Проведённый информационный поиск подтвердил мировую новизну и изобретательский уровень изобретения.

Испытания опытного образца устройства одностороннего пропускания ТГц излучения на основе эффекта Фарадея в диапазоне частот от 0,1 до 0,65 ТГц, изготовленного в соответствии с раскрытыми в настоящем описании признаками, подтвердили промышленную применимость изобретения и его соответствие заявленным техническим результатам.

Изобретение относится к области оптической техники, в частности к устройству одностороннего пропускания терагерцового излучения на основе эффекта Фарадея, и может быть использовано в качестве элемента оптической развязки. Устройство на основе эффекта Фарадея для одностороннего пропускания терагерцового излучения в диапазоне частот от 0,1 до 0,65 ТГц, содержащее входной поляризатор, элемент, вращающий плоскость поляризации, и выходной поляризатор, закреплённые вдоль оптической оси с помощью держателя из немагнитного материала. Вращающий плоскость поляризации элемент представляет собой высокоплотный намагниченный до насыщения гексаферрит бария-алюминия М-типа. Достигается снижение пропускания ТГц излучения в нежелательном, обратном направлении до уровня не более 1% при одновременно высоком пропускании. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство на основе эффекта Фарадея для одностороннего пропускания терагерцового излучения в диапазоне частот от 0,1 до 0,65 ТГц, содержащее входной поляризатор, элемент, вращающий плоскость поляризации, и выходной поляризатор, закреплённые вдоль оптической оси с помощью держателя из немагнитного материала, отличающееся тем, что вращающий плоскость поляризации элемент представляет собой высокоплотный намагниченный до насыщения гексаферрит бария-алюминия М-типа.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что гексаферрит бария-алюминия имеет химическую формулу BaAl_1.4Fe_10.6O₁₉.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что гексаферрит бария-алюминия имеет плотность ρ (г/см³) согласно соотношению .

4. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что вращающий плоскость поляризации элемент имеет форму диска.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, диск имеет диаметр 30 мм и толщину H согласно соотношению .

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что поляризаторы выполнены из полипропиленовой плёнки с алюминиевой решёткой.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что частота алюминиевой решётки в используемых поляризаторах составляет 1200 мм^-1.

8. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что входная апертура входного и выходного поляризаторов составляет 25 мм.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что служит для одностороннего пропускания терагерцового излучения в диапазоне частот от 0,45 до 0,65 ТГц.