CN1248029C - 磁光开关元件及在多稳态开关、光闸、调制器、衰减器中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁光开关元件及其在多稳态开关、光闸、调制器、衰减器中的应用。为了分别加快开关速度与减小需要的开关能量，避免在转换过程开始时产生相反符号的磁畴的问题，一种带有来源于具有高单轴磁各向异性和矩形磁滞回线的晶体的法拉第旋转器的磁光开关元件，其特征在于，该旋转器在没有施加外部磁场时每个它的稳定状态下以两种取向的磁畴为特征，通过施加一个外部磁场，所述磁畴的壁被晶体的不均匀性所钉扎并且可移动以转换为另一稳定状态而不产生附加的磁畴。

Description

磁光开关元件及在多稳态开关、光闸、调制器、衰减器中的应用

技术领域

本发明涉及一种带有由磁单轴晶体构成的例如用于光开关系统、光通信与数据处理中用来改变光闸、光衰减器或能改变给定光束部分的强度的空间光调制系统中的光束路径的法拉第旋转器的磁光开关元件。

背景技术

磁光开关、光闸以及诸如此类具有可以较简单的装置得到稳定的开关状态而无永久的能量消耗的优点。这种机械开关元件的缺点是它们的较低的开关速度，这自然地排除了它们在序言中涉及类型的许多领域中的应用。

例如，通过已知的电光开关元件(参看例如US-PS5712935)或声光开关元件(参看例如US-PS5883734)可得到高的开关速度。但这些要求永久提供能源以便保持稳定的开关状态。例外的情况是例如带有同样稳定状态而不需要永久能源为特征的非晶体材料的电光效应为基础的开关元件(参看例如EP 0500402)，然而，它们的开关时间相对较长，因为稳定状态之间的转换时间在ms范围内。

序言中涉及的已知的磁光开关元件提供一种折衷的解决办法。同机械元件相比它们没有任何活动部分，因而对振动或冲击有相应低的灵敏性，且有较高的开关速度，虽然伴随一个与波长有关的操作。同高速电光与声光开关元件相比它们具有不需要外部能源的静态，虽然伴随有稍为较长的开关时间。

在此后面的有关描述中，可参考例如下列著作与出版物：M.Shirasaki，H.Nakajima，T.Obokata，与K.Asama：Non-mechanical Optical Switch forsingle-Mode Fibers，Appl.Opt.21，4229(1982)；M.Shirasaki，H.Takamatsu，与T.Obokata：Bistable Magnetooptic Switch for multimode Optic Fiber，Appl.Opt.21，1943(1982)；M.shirasaki等：Magnetooptical 2×2 Switch forsingle-mode fibers，Appl.Opt.23，3271(1984)；M.Shirasaki：Faraday RotatorAssembly，美国专利4609257(1986)；S.Takeda：Faraday rotator device andoptical switch containing same，EP专利0381117(1991)；M.shirasaki：Faraday ratator which generates a uniform magnetic field in amagnetic optical element，美国专利5812304(1998)。

这些发明以不需要任何永久能源而只需要用于稳定状态之间转换过程的能量的双稳态磁光法拉第旋转器为特征。在此情况下，双稳态以磁滞即以某些磁性材料在磁化至饱和之后保持在磁化状态的能力为基础。在本研究中使用的磁光(MO)材料表现出铁榴石成分。这些材料没有矩形波磁滞回线因而在没有外部磁场的情况下保持未磁化状态。

为建立双稳态，把MO材料放入一个半硬磁性材料的芯中的电磁场内(M.Shirasaki等：Magnetooptical 2×2 switch for single-mode fibers，Appl.Opt.23，3271(1984))。此芯被流过带有特定极性的绕组的电流脉冲磁化，直至饱和为止。在脉冲结束后，芯与MO材料都保持磁化并引起通过MO材料的光的偏振平面旋转。电流极性的改变具有改变偏振平面旋转方向的作用。两种状态都稳定因而系统保持不需要另外的能量消耗。

为防止在引起射出光偏振的不规则改变的磁场反转期间旋转器内的磁畴壁位移，引入一个附加的磁场(M.Shirasaki：Faraday Rotator Assembly，美国专利4609257(1986)与M.Shirasaki：Faraday rotator which generatesa uniform magnetic field in a magnetic optical element，美国专利5812304(1998))。此磁场由一个磁铁产生并保持旋转器处于单磁畴状态。因而电磁铁的磁场只产生磁化旋转而不影响磁畴结构。

就这点来说一个缺点是磁化方向转换幔，尤其是偏振旋转方向转换慢。根据EP0381117(1991)的“Faraday rotator device and optical switchcontaining the same”，在例2中开关时间为约500ms。在M.Shirasaki等的论文：“Non-mechanical Optical Switch for Single-ModeFibers，Appl.Opt.21，4229(1982)中”，开关时间为约10μs。此较长的开关时间与电磁铁线圈的高感应率有关；此值为约7mH。如果使用永久磁铁与其它配置，例如按照美国专利5812304，电磁铁的磁场必须有高得多的值，因为为了磁化旋转必须得到用于永久磁铁产生的饱和磁场。这必然导致比上面提到的10μs长得多的开关时间。此已知的开关元件的另一个缺点是它的由电磁铁芯尺寸所决定的尺寸；此外，旋转器不可能多稳态工作。

发明内容

本发明的目标是避免在序言中涉及类型的所述已知的磁光开关元件所提到的缺点，尤其是缩短开关时间，减小需要的开关能量，与减小开关元件的总尺寸，以及使得有可能以有利的方式在若干开关状态下可多稳态工作。

根据本发明用一种序言中涉及类型的磁光开关元件实现此目标，根据本发明的带有来源于具有高单轴磁各向异性和矩形磁滞回线的磁性晶体的法拉第旋转器的磁光开关元件，该磁光开关元件的特征在于，该旋转器在没有施加外部磁场时每个它的稳定状态下以两种取向的磁畴为特征，该磁光开关元件的特征还在于，所述磁畴的壁在没有外部磁力的情况下通过固定于预定的位置而被稳定，将所述磁畴的壁固定于预定的位置是通过在这些位置提供晶体的晶格偏离而实现，以及，该磁光开关元件的特征还在于，通过施加一个外部磁场，所述磁畴的壁被移动以转换为另一稳定状态而不产生附加的磁畴。

根据本发明的上述开关元件，其特征在于晶格偏离选自下列方式形成：晶体上的表面划痕、沟槽、切口、空腔、钻孔、外来夹杂物、和晶体的掺杂形成。

根据本发明的上述开关元件，其特征在于对应于晶体的若干稳定状态，在磁畴壁的两边以给定的间隔提供若干晶格偏离。

根据本发明的上述开关元件，其特征在于晶体基本垂直于光轴切割，并且晶体是正铁氧体，以光轴基本平行于穿透光束的方向布置。

根据本发明的上述开关元件，其特征在于晶格偏离基本上直线延伸并大致垂直于晶体的结晶a轴。

根据本发明的上述开关元件，其特征在于一个在晶体区域内通过零的磁梯度场被永久地施加在晶体上，

根据本发明的上述开关元件，其特征在于，所述磁梯度场通过至少一对永久磁铁产生。

根据本发明的另一方面，应用根据本发明的上述开关元件，作为多稳态的光开关、光闸、光调制器或衰减器。

在本发明的磁光开关元件中，旋转器在没有施加的外部磁场的它的每个稳定状态下，以双取向的磁畴为特征，可通过施加一个外部磁场移动磁畴壁使变换为另一稳态而不产生附加的磁畴。这样得到的开关元件可以简单的方式而具有不同的稳定状态，它可在没有时间限制与没有能量消耗的情况下保持处于这些不同的稳定状态。这些稳定的开关状态的转换发生在ns范围内，因而在红外线范围内只产生低的光损耗，需要很小的转换能量，并可保持很小的总尺寸。

已知磁光材料带有矩形波磁滞回线；即是说，这些材料在没有外部磁场下保持磁化状态。例如，正铁氧体是此材料组的代表。正铁氧体是弱铁磁体，其特征为低的最终磁化强度与很高的单轴磁各向异性。正铁氧体是光学双轴晶体。大角度的法拉第旋转只能在没有结晶双折射条件下得到；即是说，当光沿晶体的光轴传播时。在此情况下，出现高的磁光品质因数(FM)，即法拉第旋转对吸收的比率。在可见光范围内与近红外范围内(包括波长为1.55μm，对光电信重要的光波)，正铁氧体具有所有磁光晶体中的最佳FM值。正铁氧体同其它磁性材料相比的一个重要优点是达20km/s的极高畴壁速度。

正铁氧体的高矫顽力是光隔离方式下的一个重要优点。然而，在光开关、光闸、空间光调制器、光衰减器等的开发中的动态应用中，高矫顽力是一个缺点，因为它需要很高的场强。高矫顽力由于需要沿相反方向磁化磁畴引起。当磁化至饱和时，得到旋转器的稳定状态，从而只存在单一的磁畴，而没有带有相反取向的磁畴。为了旋转至相反磁化的磁畴，需要高的磁场，且除此以外，只存在两种稳定状态(按照两种饱和磁化方向)，在外部磁场关断之后它们不改变。

根据本发明改进旋转器的运行方式，达到在旋转器的稳定状态中已经存在两种取向的磁畴(即至少两个带有不同取向的磁畴)，它们在外部磁场断开之后不改变。两种磁畴方向的存在解决了它们的产生问题并导致需要较低的外部磁场，及导致缩短开关时间。为实现此目的，根据本发明的有利的实施例，把不均匀性(inhomogeneity)与晶格偏离(lattice deviation)制作到旋转器中。

这种不均匀性已用于磁光存贮器开发的其它方面。在Te-Ho Wu等的Magnetic domain pinning in patterned magneto-optical material，J.Appl.Phys.85，5980-5982(1999)；S.Gadetsky，J.K.Erwin，M.Mansuripur与T.Suzuki的Magneto-optical recording on patternedsubstrates，J.Appl.Phys.79，5687(1996)的研究中，构成了其上面施加了一层磁光材料薄膜的衬底。该合成结构的边缘被用作磁畴的界限。根据RU2029978 C1，应用带有平底的锯齿形的磁光膜材料的不均匀性来保持各磁畴区域。在两种情况下，各磁畴被制备在特定区域内，其上面施加磁光膜的载体材料的厚度或磁光膜本身的厚度是变化的。这种程序在块状固体情况下是不可能的，因为在晶体上以光学质量产生具有几分之毫米尺寸与带有平底的刻痕实际上是不可能的。此外，在磁畴取向上进行转换的所有情况下，要求的第一件事同样是产生具有相反取向的磁畴，因此前面描述的需要较强磁场的缺点在此情况下将仍然适合。

在DE 2839216 A1中，描述一种不要求产生相反取向的磁畴以便能起动转换的磁光调制器。把一层磁性单轴磁光膜划分为彼此磁性分离的岛状区域。每个岛包括若干个具有不同取向的磁畴。由于各岛之间没有磁相互作用，结果，它们的每个可容易地被对给定各岛直接起作用的小线圈的磁场磁化。由于在没有外部磁场的情况下各岛被退磁，磁化处理与磁畴壁移动有关。然而，在给定的布置下，准确地说这意味着没有稳定状态，其中旋转器保持没有外部磁场；如果外部磁场关断，相反磁化的磁畴的宽度变为彼此相等，因此这些岛的总法拉第旋转为零。

根据本发明，相反，涉及的不均匀性的主要任务被看作是在预先确定的位置上固定现存磁畴的畴壁。因而，当转换时，只需要移动现存的畴壁，而不必附加初始产生带有相反符号的磁畴。因此根据本发明的不均匀性只要求在当外部磁场断开后磁畴壁预计继续保持的各线上(相应于旋转器的各稳定状态)而不是现存磁畴覆盖的全部范围，如同现有技术早先已描述过的一样。

不均匀性由例如在晶体表面上的窄的划痕组成。划痕代表磁能的新的本地最小值并保持磁畴壁。结果，当外部磁场关断时磁畴结构保持在给定的状态。作为划痕深度的函数，调节给定磁畴结构的矫顽力，即从划痕移走磁畴所需要的磁场。如果样品中引入不同的划痕组或总体晶格偏离，将产生磁畴壁的不同固定点，从而相应地产生旋转器或开关元件的不同稳定状态。

附图说明

本发明另外的特征与优点说明在下文中，尤其是根据各局部示意图。

图1表示一个根据本发明的多稳态开关元件，

图2表示一个用于根据本发明的开关元件的带有永久磁铁的多稳态旋转器，

图3表示一个作为光开关的根据本发明的多稳态开关元件，

图4表示一个用作光闸的根据本发明的相应开关元件。

具体实施方式

作为本发明的一个实施例的图示例子，图1表示一个带有包括组2、组3、组4三组表面划痕10作为晶格偏离的正铁氧体薄晶片1的旋转器。薄晶片1垂直于光轴切割；箭头a表示结晶的a轴的方向。一个组2与磁畴的平衡状态有关。划痕10之间的距离相等且相当于薄晶片内磁畴的平衡宽度。另一个组3相当于薄晶片的部分(正)磁化状态。因此此组由组2的划痕10的交替两边上以不同间隔的划痕10组成。为改变磁畴结构，施加一个脉冲化的外部磁场。在脉冲期间，沿施加的磁场方向取向的磁畴以牺牲沿相反方向取向的磁畴为代价而扩大。如果脉冲的幅值与宽度足够大，磁畴壁到达组3的划痕10，这些划痕固定磁畴壁；在脉冲结束后，它们保持在这些位置上，而旋转器处于一个稳定状态。为了回复初始状态，必须施加一个相反方向的磁脉冲。从组3类推，可建立一个相反的组4。从而施加另一个稳定状态。以此方式，可以与组2不同的距离施加不同组别的划痕10，从而可规定大量开关的稳定状态。

作为划痕10之间距离的函数选择磁场脉冲的幅值与持续时间。如果幅值过小或持续时间过短，磁畴壁不能到达近旁的划痕组，在脉冲结束后，它们移回它们的初始位置。如果幅值过大或持续时间过长，磁畴壁的移动超过必需值，在脉冲结束后移回至划痕位置。

在按照图2的本发明的另一个实施例中，用于磁畴固定的划痕与一个不均匀性磁场相结合。此磁场由永久磁铁5产生并用于固定磁畴结构。以此方法，扩展了该实施例与旋转器的动态特性。磁畴壁的移动速度随着磁场的增加而增加(在一个宽的速度范围内，这些数值之间产生比例关系)。想要开关时间越短，磁场脉冲必须越高。然而，过高的磁场会产生不可逆的磁畴位移，例如建立新的磁畴。施加一个梯度形状磁场使磁畴壁稳定并限制它们的移动。梯度磁场由两对小的永久磁铁产生。由每对永久磁铁产生的磁场具有相反的极性，旋转器被分为两个磁畴。在没有其它磁场的情况下，磁畴壁位于梯度场通过零(零场线)的地方：开关的一个稳定状态(相应于图1中的组2)。划痕施加在此线的两边。它们表现为平行于零场线的直线。在磁场脉冲的作用下，磁畴壁到达一条特定的划痕。如果钉扎(pinning)足够强，在脉冲结束后磁畴壁将保持在此划痕处。这导致相应于此划痕组的稳定状态。

在一个宽的外部磁场范围内，磁畴内的偏振平面旋转的绝对值与磁场的尺寸无关，因而旋转器的功能不受外部磁场的不均匀性的妨碍。

稳定状态之间磁畴结构的改变属于有规律的性质。它们包括磁畴壁的位移且不引起任何不合乎需要的光波动。

旋转器的最短开关时间主要受单磁场脉冲的最短持续时间的限制；它们在ns范围内。

图3表示以一个多稳态光旋转器为基础的开关的图解。正铁氧体薄晶片1的厚度以这样的方法选择使得初始通过偏光器7的光的偏振平面旋转45°。旋转的符号取决于光通过的磁畴。如果光通过磁化强度逆平行于光传播方向的磁畴，则旋转沿顺时针方向发生。在通过一个偏光分离元件6之后，光沿水平方向传播。如果光通过相反磁化的磁畴，则偏振平面旋转-45°，且在通过一个偏光分离元件6之后，光沿垂直方向传播。

图4表示一个以多稳态旋转器为基础的光闸的图。在情况a)下，偏振的光束被分析镜8熄灭。在情况b)下，一部分光束，即精确地说由平行于光传播方向的磁化磁畴通过的那部分光束，通过分析镜8。在情况c)下，容许全部光束通过分析镜8。

如序言中已指出，代替用于稳定磁畴的旋转器晶体内的表面划痕，也可提供其它的晶格偏离，例如在晶体内部提供的空腔、外来夹杂物或诸如此类，或甚至在特定区域内改变掺杂浓度。代替遍及晶体以线性方式扩展的这种晶格偏离，也可以这种晶格偏离的其它形式或配置工作；也可是限定的区域、间断线等，从而只需保证这些区域适于在外部磁场断开后固定磁畴壁。只要两种符号的磁畴保持在旋转晶体内，在这样取得的磁光开关元件的稳定状态下，则另外提到的本发明的优点也将全部保持。

Claims (8)

1.一种带有来源于具有高单轴磁各向异性和矩形磁滞回线的磁性晶体的法拉第旋转器的磁光开关元件，该磁光开关元件的特征在于，该旋转器在没有施加外部磁场时每个它的稳定状态下以两种取向的磁畴为特征，该磁光开关元件的特征还在于，所述磁畴的壁在没有外部磁力的情况下通过固定于预定的位置而被稳定，将所述磁畴的壁固定于预定的位置是通过在这些位置提供晶体的晶格偏离而实现，以及，该磁光开关元件的特征还在于，通过施加一个外部磁场，所述磁畴的壁被移动以转换为另一稳定状态而不产生附加的磁畴。

2.根据权利要求1的开关元件，其特征在于晶格偏离选自下列方式形成：晶体上的表面划痕、沟槽、切口、空腔、钻孔、外来夹杂物、和晶体的掺杂形成。

3.根据权利要求1或2的开关元件，其特征在于对应于晶体的若干稳定状态，在磁畴壁的两边以给定的间隔提供若干晶格偏离。

4.根据权利要求1或2的开关元件，其特征在于晶体基本垂直于光轴切割，并且晶体是正铁氧体，以光轴基本平行于穿透光束的方向布置。

5.根据权利要求4的开关元件，其特征在于晶格偏离基本上直线延伸并大致垂直于晶体的结晶a轴。

6.根据权利要求1或2的开关元件，其特征在于一个在晶体区域内通过零的磁梯度场被永久地施加在晶体上。

7.根据权利要求6的开关元件，其特征在于，所述磁梯度场通过至少一对永久磁铁产生。

8.应用根据权利要求1或2的开关元件，作为多稳态的光开关、光闸、光调制器或衰减器。

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