一文详解磁光调制技术

光调制技术---磁光调制技术

1 磁光调制

磁光效应：一束入射光进入具有固有磁矩的物质内部传输或者在物质界面反射时，光的传播特性，例如偏振面、相位、或者散射特性发生变化，这个物理现象被称为磁光效应。磁光效应包括法拉第效应，克尔效应、塞曼效应、磁线振双折射(科顿一莫顿效应或者佛赫特效应)、磁圆振二向色性、磁线振二向色性和磁激发光散射等许多类型。迄今为止，法拉第效应和克尔效应是被最广泛的研究和应用的磁光效应。

1.1法拉第效应

当一束线偏振光在位于磁场中的介质里传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则透射光的振动方向相对于入射光的偏振方向将发生一定的偏转，上述这种现象，我们把它称为法拉第效应或磁致旋光效应。如下图1所示。表征法拉第效应大小的法拉第旋转即是偏振光的偏振面转过的角度，亦被人们称为磁光旋转。

图1法拉第磁致旋光效应示意图

所以当法拉第效应发生时，在光传播方向上，光振动面的法拉第旋转角ϕ与光在介质中通过的路程d及外加磁场强度H的分量将成正比，即

    (6)

式中V是用来描述物质在磁场中偏振面旋转的本领，是旋光特性的比例因子，亦称为费尔德常数。

几乎所有物质（包括气体，液体，固体）都存在法拉第效应，不过一般都不显著。不同的物质偏振旋转的方向也可能不同。习惯上规定，以顺着磁场方向观察偏振面旋转绕向与磁场方向，满足右手螺旋关系的称为“右旋”介质，其费尔德常数V>0；反向旋转的称为“左旋”介质，费尔德常数V<0。

下表为一些物质的费尔德常数值

1.2磁光调制器

利用法拉第效应来控制光束，通过控制光信号代替其他信号的控制，间接完成其他信号的调制。如图 6所示。当没有加外加磁场时，出射光强I会跟着夹角α而变化。当加上磁调制信号后，产生的外加磁场会使输出偏振光线产生角度为ϕ的旋转，随之出射光的强度也会随着ϕ的变化而发生变化。即输出光线的强度变化承载着调制信号的变化。在现实生活中光信号和声音信号可以通过这种调制器进行相互的转化。

图6 磁光调制器原理示意图

根据马吕斯定律，入射的线偏振光经过系统后其投射光强I为

   (7)

此时，为检偏器的偏振方向和起偏器之间的夹角，ϕ为磁场引起的光偏振方向变化的角度。当磁场稳定时ϕ不变，当磁场变化时ϕ随着磁场强度变化，可以表示为。

当磁场变化按照正选规律变化时，法拉第旋转角依据 (6)式可以写为

   (8)

为磁场变化角频率。将(8)带入到（7）得到

 (9)

根据三角函数关系cos²a=(1+cos2a)/2 将(9)式子展开得到

   (10)

当°

    (11)    

当°

   (12)

1.3磁光隔离器

光隔离器的基本功能是实现光信号的正向传输，同时拟制反向光，具有不可逆性。通常情况下，光在介质中的传播光路是可逆的，光隔离器的设计就是实现光路的不可逆性。目前是利用磁光材料对其偏振态调整的非互易性实现光的不可逆传输。

偏振相关型隔离器的基本结构

图7偏振相关型隔离器的基本结构

偏振无关型的基本结构

图8 Wedge 型隔离器结构与光路图

图9 Walk-off 型光纤隔离器结构

1.4 磁光克尔效应

1876年，克尔(Kerr)观测到线偏振光入射到不透明的磁化材料表面时，反射光的偏振方向相对入射线偏振方向发生旋转。当线偏振光被磁化的介质反射后，会变为椭圆偏振光。椭圆偏振光长轴方向相对于入射线偏振光存在一定角度的转动，这个角度被称为克尔旋转角。

图10 表面磁光克尔效应原理

克尔磁光效应分为极向、纵向和横向三种，分别对应物质的磁化强度与反射表面垂直、与表面和入射面平行、与表面平行而与入射面垂直三种情形。极向和纵向克尔磁光效应的磁致炫光都正比于磁化强度，一般极向的效应最强，纵向次之，横向则无明显的磁致旋光。

极向克尔效应：

磁化方向垂直于样品表面并且平行于入射面。通常情况下，极向克尔信号的强度随光的入射角的减小而增大，在垂直入射达到最大。

图11 极向克尔效应

纵向克尔效应：

磁化方向在样品膜面内，并且平行于入射面。纵向克尔信号的强度一般随光的入射角的减小而减小，在入射角时为零。通常情况下，纵向克尔信号中，无论是克尔旋转角，还是克尔椭偏率，都要比极向克尔信号小一个数量级。

图12 纵向克尔效应

横向克尔效应：

磁化方向在样品膜内面内，并且垂直于入射面。横向克尔效应中反射光的偏振状态没有变化。这是因为在这种配置下，光电场与磁化强度矢积的方向永远没有与光传播方向相垂直的分量。横向克尔效应中，只有在偏振光（偏振方向平行于入射面）入射条件下，才有一个很小的反射率的变化。

图13 横向克尔效应

1.4 塞曼效应

19世纪末，由塞曼首次在观察磁场中的钠光谱时发现塞曼效应。他发现将有些物质放置在磁场中，由入射光源发射的谱线会受到磁场的影响而分裂成若干条谱线，而且分裂各谱线的间隔大小是与外加磁场强度成正比的。对于一个置于静磁场H且频率为ω0的电子波而言，除了仍有固定频率ω0的且平行于磁场的振动(称为π振动)外，还有两个相对于(称为π振动)移动了的偏振光。其中移动了频率有较高频率的为左旋偏振光，移动了频率有较低频率的为右旋偏振光。两者均垂直于磁场方向，称为σ振动。对于辐射光子的电子来说，这种振动频率的分裂就会造成分裂的光谱线。沿着垂直于磁场方向观察，π振动的电矢量方向是平行于磁场方向的，而σ振动的电矢量方向是垂直于磁场方向的；沿着磁场方向观察，此时观察不到π振动，而σ振动表现为两个圆偏振光。同样有较高频率的为左旋偏振光，有较低频率的为右旋偏振光。    

1.1磁激发光散射

磁激发光散射,是指一束光入射到某些磁化的媒质中时，入射光波会受到媒质中磁化强度波的散射，此时会有对应于磁化强度波的磁波子和光子相互作用产生的两种具有电磁性的粒子。磁激发光散射是拉曼散射的一种形式，它与其他形式的光波散射，如瑞利散射、布里渊散射和其他形式的拉曼散射都有相同的散射原理和本质。

1.6 磁光材料

磁光材料是指在紫外到红外波段具有磁光效应的光信息功能材料。传统磁光材料主要是指含有稀土磁材料的导光材料，稀土元素由于4f电子层未填满，因而产生未抵消的磁矩，这是强磁性的来源。同时，4f电子的跃迁是光激发的起因，从而导致强的磁光效应．在外磁场的作用下，材料的磁导率(或磁化强度)、介电常数、磁化方向等电磁特性发生，从而导致材料中电磁波的传输特性发生相应的变化。目前在应用于可见光波段的磁光材料主要可以分为以下几种

磁光玻璃

磁光玻又叫旋光玻璃或者法拉第旋光玻璃，可以制作光纤通讯中隔离器、磁光调制器、磁光开关、磁场测量和高压输电线路的电流测量传感器以及磁光存储等磁光功能器件。在可见光以及近红外波段目前最常用的磁光介质就是磁光玻璃，因其具有较高的旋光系数、高透过率以及良好的机械、物理和光学性能，从而可以制造出体积小、性能高的旋光器。

磁光晶体

晶体具有较大的Faraday效应,低吸收系数,高Verdet常数,高热导率,高激光损伤阈值等优点,是未来的主要发展方向。磁光晶体主要分为三个体系:

②钇铁石榴石体系YIG,掺杂YIG体系;

②镓酸盐石榴石体系:GGG,TGG;

③稀土铝酸盐石榴石体系:TAG,TAG-TGG。

审核编辑：汤梓红