AT411852B - Verfahren und vorrichtung zur änderung des polarisationszustandes von licht mit einem magnetisch einachsigen kristall - Google Patents

Description

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   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Änderung des Polarisationszustandes von Licht mit ei- nem magnetisch einachsigen Kristall, der zunächst eine bestimmte Multidomänen-Struktur auf- weist, die unter der Einwirkung eines äusseren Magnetfeldes in einen Monodomänen-Zustand mit einer der Richtung des angelegten Magnetfeldes entsprechenden Domänenausrichtung übergeht, wobei Licht durch vorgegebene Bereiche des Kristalls hindurchtritt, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens. Gegenstände der Erfindung sind also Methoden und Vorrichtungen zur Änderung der Polarisation von Lichtstrahlen und in der Folge zur Änderung der Richtung, der Intensität u. dgl. mehr dieser Lichtstrahlen, wie sie in optischen Kommunikationssys- temen, Informationsverarbeitung, Displays etc. zur Anwendung kommen. 



   Zur Zeit wurden zahlreiche Arten von optischen Schalter entwickelt, inklusive mikro- elektromechanische Systeme (MEMS), akustisch-optische, flüssig kristalline, elektronisch schaltba- re Bragg gratings   (Bragg'sche   Gitter), bubble jets (Blasensysteme), thermo-optische, interfero- metrische, thermo-kapillarische, elektro-holographische und magneto-optische Systeme. Zur Zeit sind MEMS am meisten in Verwendung. Wichtiger Vorteil von MEMS ist, dass diese zu den soge- nannten "latching Systemen" gehören, das heisst, dass sie energielose stabile Schaltzustände haben und Energie nur zum Schalten benötigen. Ihre Schaltzeiten sind jedoch ziemlich lang - ca. 1 ms. Elektro-optische Systeme haben vergleichsweise viel kürzere Schaltzeiten; zum Beispiel beträgt die Schaltzeit der neuen elektroholographischen Schalter nur ca. 10 ns.

   Aber diese Schal- tungen brauchen permanente Energieversorgung, zumindest in einem Zustand. Ausserdem ist der "insertion loss" (Eingangsverlust) von elektroholographischen Schalter ziemlich hoch, nämlich etwa 4-5 dB. 



   Mit magneto-optischen Systemen eröffnet sich die Möglichkeit, kurze Schaltzeit und geringen insertion loss mit der sogenannten "latching" Funktionsweise (siehe oben) zu kombinieren. In der Erfindung gemäss AT 408. 700 B wird ein multistabiler Polarisationsrotator beschrieben. Stabile Zustände bei diesem Rotator werden durch Inhomogenitäten auf den Oberflächen von orthoferriti- schen Plättchen, die die Domänenwände (DWs) in vorgegebenen Lagen halten, gewährleistet. 



  Übergänge zwischen diesen stabilen Zuständen kommen durch Verschiebung der Domänenwände zwischen diesen Lagen zustande und finden ohne Erzeugung von neuen Domänen statt. Die für diese Übergange benötigte Dauer beträgt ca. 100 ns, das heisst, dass sie um etliche 1000 Mate 
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 wesentlich eingeschränkt. Die Amplitude des Treiber-Magnetfeldes ist ziemlich gering, weswegen sich DWs nur auf vergleichbar kleinen Distanzen fortbewegen können. 



   Aufgabe der Erfindung ist es, die Beschränkungen der Apertur des Schalters zu reduzieren. 



   Gemäss der gegenständlichen Erfindung wird dies dadurch gelöst, dass an den Kristall ein Magnetfeldimpuls mit einer Magnetfeldstärke (H) angelegt wird, bei der der Kristall nach dem Ende des Impulses nicht im Monodomänen-Zustand verbleibt, sondern in einen definierten, von der Richtung des angelegten Magnetfeldes bestimmten Multidomänen-Zustand zurückkehrt. Damit wird die Apertur des Schalters durch Anwendung von Magnetfeldimpulsen von höherer Amplitude vergrössert. Die Apertur ist dabei definiert durch die Zone, in der abwechselnd Magnetpulse einwir- ken. Bei der vorliegenden Erfindung repräsentiert diese Zone die Domänenstruktur, die nach dem Abschalten des Magnetimpulses auftritt. In Orthoferriten treten relativ grosse Domänen auf, womit auch entsprechend grosse Aperturen des Schalters erreichbar sind. 



   Orthoferrite besitzen eine rechteckige Hysterese-Funktion. Die Koerzitivkraft der Orthoferrite ist ziemlich hoch, sie beträgt einige kilo-Oersted (kOe). Die zur Überwindung der Koerzitivkraft erfor- derliche Erzeugung grosser magnetischer Felder verlangt grossen Energieinput (dieser Faktor ist besonders bei Konstruktion von dichtgepackten Schaltermatrizen von Bedeutung) und kann auch erhöhte Induktivität des Schemas nach sich ziehen, was die Schaltzeiten vergrössert. Um die erfor- derliche Intensität des Treiber-Feldes zu verringern, werden Inhomogenitäten auf der Kristallober- fläche verwendet, die die Domänenwände in vorgegebenen Positionen fixieren. Wenn die Entfer- nung zwischen den Inhomogenitäten gering ist, oder wenn man dünne Orthoferritplättchen ver- wendet, bewegen sich die DWs kontinuierlich von einer Ungleichartigkeit zu der anderen.

   Im Falle des Orthoferrit Kristalles bezieht sich das Letzte auf die   Dicke =100     um,   verwendet bei Polarisati- onsdrehung im sichtbaren und nahe infraroten Spektrumbereich. Es wurde gefunden, dass das bei dickeren Mustern, und zwar   bei >    1,2 mm dicken Yttrium Orthoferrit Kristallen, die für 45  Polarisa- 
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 verursacht die Anwendung von Magnetfeldern, die ziemlich stark sind, um die Magnetisierung der grossen Bereiche zu ändern, die Erzeugung neuer Domänen und deren Ausbreitung, sowie den Kollaps von Domänen mit ungünstiger Magnetisierungsrichtung, und in der Folge eine Magnetisie- rung des Kristalls.

   Falls die Amplitude des Magnetfeldimpulses ziemlich hoch ist (einige kOe), bleibt nach dem Ende dieses Impulses der Kristall im monodomänen Zustand, und Änderungen der Magnetisierungsrichtung verlangen wieder die Anwendung von Impulsen mit gleichen oder sogar höheren Amplituden. Wenn jedoch die Amplitude H der Impulse nicht sehr hoch ist und gerade dazu reicht, Sättigungsmagnetisierung des Kristalls   (H=Hs)   zu erreichen, so kehrt nach der Beendung des Impulses der Kristall wieder in den multidomänen Zustand zurück (Keime der ent- gegengesetzt magnetisierten Domänen werden nämlich nicht völlig unterdrückt, und nach Been- dung des Impulses wachsen diese zu neuen Domänen). 



   Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens sowie der entsprechenden Vorrichtung werden im folgenden anhand der Tabelle 1 sowie der Zeichnungen näher erläutert. 



   In manchen Fällen werden nach der Anwendung der Impulse (H¹Hs) die Magnetisierungsrich- tungen in bestimmten Kristallenbereichen zu entgegengesetzten geändert: 
Betrachtet sei nun ein Orthoferrit-Kristall 1, der senkrecht zur optischen Achse geschnitten ist. 



  In einem solchem Kristall sind die DWs (Domänenwände) 2 senkrecht zur Richtung der kristal- lographischen a-Achse ausgerichtet, siehe Fig. 

Claims (8)

1. Die Magnetisierungen seien in der oberen und unteren Domäne 3,4 positiv und in der mittleren Domäne 5 negativ (Fig. 1 a). Ein Magnetfeldimpuls von negativer Polarität wirke nun auf den Kristall 1. Wenn die Amplitude des Impulses ungefähr Hs beträgt, wird der Kristall 1 bis in den Monodomänen-Zustand magnetisiert (Fig. 1 b). Nach dem Ende des Impulses unterteilt sich der Kristall wieder in die Domänen 3,4, 5 (Fig. 1c). Im unteren und oberen Bereich (Domänen 3,4) des Kristalls sind die Kopplungskräfte ziemlich hoch und die Magnetisierungsrichtung bleibt genau so wie während des Impulses. Im mittleren Bereich (Domäne 5), wo die Kopplungskräfte schwächer sind, wird die Magnetisierungsrichtung allerdings entgegen- gesetzt. Für die Stabilisierung der Domänen 3,4, 5 kann man wieder Inhomogenitäten (Nichtuni- formitäten), wie sie in der AT 408. 700 B beschrieben werden, verwenden. Werden nun Lichtstrahlen in verschiedene Kristallbereiche (Domänen 3,4, 5) gelenkt, so wer- den sich die Polarisationen der verschiedenen Strahlen in Abhängigkeit vom magnetischen Feld und von der Positionen der Strahlen verändern. Bei dem Beispiel in der Tabelle 1 ist die Polarisati- on der Strahlen, die durch Bereich 6 (Fig. 1c) durchgehen, mit "+" (d. h. die Polarisationsrichtung hat sich im Uhrzeigersinn gedreht), und die Polarisation der Strahlen, die durch Bereich 7 durchge- hen, mit "-" (die Polarisationsrichtung hat sich gegen den Uhrzeigersinn gedreht) charakterisiert. Wird ein Magnetfeldimpuls negativer Polarität appliziert, so wird während des Impulses die Polari- sation der beiden Strahlen "minus" betragen. Nach der Beendung des Impulses wird die Polarisati- on der Strahlen dementsprechend "-" (für 6) und "+" (für 7) betragen. Die Applikation eines Magnet- feldimpulses positiver Polarität führt zur neuen Verteilung: "+" und "+" und nach der Beendung dieses Impulses entsteht wieder der Zustand "+" und "-". Somit kann man durch die Wahl der Polarität und die Dauer der Impulse in ausgewählten Zeitabständen eine erwünschte Polarisations- verteilung bzw.-kombination erreichen. In der Erfindung gemäss AT 408. 700 B werden Ungleichmässigkeiten (wie z. B. Ritzen bzw. Krat- zer) auf der Kristalloberfläche, durch die die Lichtstrahlen durchgehen, zur Fixierung der DWs verwendet. Diese Inhomogenitäten auf der Oberfläche verursachen Lichtstreuung, was besonders beim Einsatz solcher Kristalle in Attenuatoren störend ist. Abweichend von den Anordnungen gemäss AT 408. 700 B werden bei der gegenständlichen Er- findung die Inhomogenitäten 8 (wie Ritzen) bevorzugt auf der bzw. den Seitenflächen 9 des Kris- talls 1 angebracht. Fig.

2 zeigt solche Inhomogenitäten 8 in Form von Ritzen bzw. Kratzern auf der Seitenfläche 9 eines Rotators. Die Richtung der Ritzen bzw. Kratzer ist senkrecht zur kristal- lographischen a-Achse und parallel zu den Ebenen der DWs 2. Um eine kontinuierliche Bewegung der DWs 2 über grosse Distanzen zu gewährleisten, sollen relativ dünne Plättchen als Kristalle 1 verwendet werden (im Falle der Orthoferrite gelten "als relativ dünn" einige hundert Mikrometer dicke Plättchen). In einem sehr breiten Bereich der Magnetfeld- stärke besteht die Wirkung des Magnetfeldes auf diese Plättchen in der Verbreiterung der existie- renden Domänen mit passender Polarität und nicht in der Erzeugung neuer Domänen. Die Inho- mogenitäten halten die DWs in gewünschten Positionen, wodurch ein multistabiler Betrieb des <Desc/Clms Page number 3> Rotators ermöglicht wird. Stapel von einigen solchen Plättchen können zur Konstruktion eines Rotators mit erwünschter Dicke verwendet werden. Man kann weiters die Inhomogenitäten 8, die die DWs 2 fixieren, mit den Quellen permanenter Magnetfelder kombinieren. In der Erfindung gemäss AT 408. 700 B wird vorgeschlagen, das inho- mogene Magnetfeld eines Paares von Magneten zu verwenden. Jedoch erhöht die Verwendung von zwei Magneten die Dimensionen der Elemente bzw. Systeme. Erfindungsgemäss wird nun lediglich ein hier nicht dargestellter Permanentmagnet verwendet. Dieser hält die Magnetisierung des angrenzenden Teils des Rotators aufrecht ; Lage der Gren- ze dieser Domäne (seine DW) ändert sich unter der Einwirkung des Magnetfeldimpulses und kann durch Inhomogenitäten, wie sie oben erwähnt wurden, fixiert werden. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Änderung des Polarisationszustandes von Licht mit einem magnetisch ein- achsigen Kristall, der zunächst eine bestimmte Multidomänen-Struktur aufweist, die unter Einwirkung eines äusseren Magnetfeldes in einen Monodomänen-Zustand mit einer der Richtung des angelegten Magnetfeldes entsprechenden Domänenausrichtung übergeht, wobei Licht durch vorgegebene Bereiche des Kristalls hindurchtritt, dadurch gekenn- zeichnet, dass an den Kristall (1) ein Magnetfeldimpuls mit einer Magnetfeldstärke (H) an- gelegt wird, bei der der Kristall (1) nach dem Ende des Impulses nicht im Monodomänen- Zustand verbleibt, sondern in einen definierten, von der Richtung des angelegten Magnet- feldes bestimmten Multidomänen-Zustand zurückkehrt. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Domänenwände (2) durch Inhomogenitäten (8), die im Kristall (1) erzeugt werden, in vorgegebenen Positionen gehal- ten werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstrahlen durch solche Bereiche (6) des Kristalls (1) geleitet werden, die nach Abschalten des äusseren Magnetfeldimpulses mit dem selben Vorzeichen wie der äussere Magnetfeldimpuls magne- tisiert bleiben.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstrahlen durch solche Bereiche (7) des Kristalls (1) geleitet werden, die nach Abschalten des äusseren Magnetfeldimpulses mit entgegengesetztem Vorzeichen wie der äussere Magnetfeldimpuls magnetisiert bleiben.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstrahlen durch solche Bereiche (6,7) des Kristalls (1) geleitet werden, die während der Einwirkung des äusseren Magnetfeldimpulses mit gleichem Vorzeichen magnetisiert sind und nach dem Abschalten des äusseren Magnetfeldimpulses mit entgegengesetztem Vorzeichen magne- tisiert werden.

6. Vorrichtung zur Änderung des Polarisationszustandes von Licht nach dem Verfahren ge- mäss einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem magneto-optischen Rotator gebildet aus ei- nem magnetisch einachsigen Kristall (1),der Inhomogenitäten (8) aufweist, welche die Domänen (3, 4,5) in vorgegebenen Positionen fixieren, dadurch gekennzeichnet, dass diese Inhomogenitäten (8) sich auf den Seitenflächen (9) des Kristalls (1) befinden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotator aus einem Sta- pel mehrerer Kristall-Platten besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein einzelner, ein in- homogenes magnetisches Feld erzeugender Permanentmagnet auf einem vorgegebenen Bereich des Kristalls befestigt ist.