DE4319827A1 - Faraday-Rotator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Faraday-Rotator mit einem optischen Element und einem koaxial zu dem optischen Element angeordneten, mit einem Durchgangsloch versehenen Magneten, wobei der Magnet des Faraday-Rotator entlang der Durch­ strahlungsrichtung des optischen Elementes bewegbar angeordnet ist.

Ein derartiger Faraday-Rotator ist aus der EP 413 566 bekannt. Hier ist ein durchstimmbarer Faraday-Isolator offenbart mit einem Faraday-Rotator, der ein optisches Element und einen relativ zu dem optischen Element bewegbaren Magneten aufweist. Durch Änderung der Lage des Magneten kann der Faraday-Iso­ lator auf die jeweils verwendete Wellenlänge des ihn durchstrahlenden Lichtes abgestimmt werden. Durch die Bewegung des Magneten auf einer Gewindespindel besteht zwangsweise ein relativ großer Abstand zwischen Magnet und optischem Element und damit keine optimale Einwirkung des Magneten auf das optische Element. Das optische Element ist aus einer Vielzahl parallel zueinander angeordneter ferromagnetischer Scheiben gebildet, die aufgrund ihrer geringen Dicke stets von einem quasi homogenen Feld durchsetzt werden und aufgrund ihrer ferromagnetischen Eigenschaften einer magnetischen Sättigung unter­ liegen. Das bedeutet, daß das Vermögen die Polarisationsrichtung von Licht zu drehen, bis zu einer Sättigungsgrenze linear mit der Feldstärke zunimmt und bei höheren Feldstärken konstant bleibt. Ein derart ausgebildeter Faraday-Iso­ lator ist hinsichtlich seiner isolierenden Wirkung sehr gut einsetzbar, hin­ sichtlich seiner Benutzung als Rotator, d. h. also hinsichtlich seiner Fähig­ keit, die Polarisationsebene von Licht zu drehen, ist er nur beschränkt einsetzbar.

Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik liegt der vor­ liegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Faraday-Rotator zu schaffen, der sowohl eine hohe Extinktion ermöglicht als auch einen großen Einstell­ bereich des Drehwinkels der Polarisationsebene von Licht für einen großen Wellenlängenbereich aufweist.

Die Aufgabe wird für den eingangs beschriebenen Faraday-Rotator dadurch gelöst, daß das optische Element im Betriebszustand des Faraday-Rotator mindestens teilweise in einem solchen Bereich des durch den Magneten gebildeten Magnetfeldes angeordnet ist, in dem die parallel zur Achse des Magneten verlaufende Z-Komponente der magnetischen Flußdichte sowohl Beträge mit negativem als auch mit positivem Vorzeichen aufweist. Das bedeutet, daß sich das optische Element im Betriebszustand des Faraday-Rotator stets min­ destens teilweise im inhomogenen Bereich des Magnetfeldes befindet. Dies ist eine Stellung, die bei bekannten Anordnungen bewußt vermieden wird. Überraschenderweise wurde jedoch festgestellt, daß gerade in diesem Bereich, in dem das optische Element von einem inhomogenen Magnetfeld durchdrungen wird, eine hohe Gleichförmigkeit der Drehung der Polarisationsrichtung des Lichts über den gesamten Querschnitt des optischen Elementes (senkrecht zur Durch­ strahlungsrichtung) erzielt wird. Dabei wird sowohl eine hohe Transmission erzielt als auch eine hohe Extinktion ermöglicht. Dies gilt sogar bei einer Anordnung des optischen Elementes in einem Bereich, in dem die positiven und die negativen Anteile der magnetischen Flußdichte, über die Länge des op­ tischen Elementes integriert, den Wert 0 ergeben. Das Magnetfeld ist in dem Bereich maximal inhomogen, die Drehung der Polarisationsebene beträgt 0°, die erzielte Extinktion ist jedoch trotzdem sehr hoch. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung läßt sich eine beliebig hohe Dynamik erzielen. Die Erzielung eines Drehwinkels der Rotationsebene von 0° ist für beliebige Wellenlängen möglich. Davon ausgehend sind alle gewünschten Drehwinkel realisierbar, wobei Winkel über 45° auch als Komplementärwinkel realisiert werden können, so daß eine kontinuierliche Einstellung der Polarisationsrichtung des Lichts für nahezu beliebige Wellenlängen möglich ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Verhältnis der Länge des optischen Elementes zur Länge des Magneten etwa 0,5 bis 1, ins­ besondere etwa 0,8 bis 1. Dadurch ist eine besonders gute Abstimmbarkeit des Faraday-Rotators hinsichtlich des Drehvermögens der Polarisationsebene auch bei unterschiedlichen Wellenlängen möglich.

Zweckmäßig ist es, die Durchmesser des optischen Elementes und des Durchgangs­ loches des Magneten im Verhältnis von etwa 0,5 bis 1, insbesondere von etwa 0,8 bis 0,9 auszubilden. Dadurch wird das optische Element relativ eng von dem Magneten umschlossen, so daß eine hohe Feldstärke am Ort des optischen Ele­ mentes erzielt wird.

Vorteilhaft für das Erzielen eines beliebigen Drehwinkels ist es, daß das optisch aktive Element aus einem para- oder diamagnetischen Material, ins­ besondere aus einem Material der Gruppe Terbium-Gallium-Granat, Terbium-Scan­ dium-Granat, Terbium-Aluminium-Granat, Dysprosium-Aluminium-Granat, Hol­ mium-Aluminium-Granat, Erbium-Aluminium-Granat, Thulium-Aluminium-Granat oder Seltenerden-Aluminium-Granat gebildet ist.

Desweiteren ist es vorteilhaft, den Faraday-Rotator zu einem Faraday-Isolator dadurch zu vervollständigen, daß in Durchstrahlungsrichtung gesehen vor und hinter dem Magneten und dem optischen Element jeweils ein Polarisator zur Eingangs- bzw. Ausgangspolarisation des Lichts angeordnet ist.

Es ist zweckmäßig, daß die beiden Polarisatoren des Faraday-Isolators spektral breitbandige, insbesondere 90°-Prismenpolarisatoren sind, da hierdurch eine weitgehende Unabhängigkeit des Einsatzspektrums des Faraday-Isolators von der verwendeten Wellenlänge besteht.

Zweckmäßigerweise weist der Faraday-Rotator Mittel zur Axialbewegung des Magneten auf, die außerhalb des Durchgangsloches des Magneten um den äußeren, koaxialen Umfang des Magneten herum angeordnet sind. Dadurch ist es möglich, auf jegliche Anordnung von Drittmaterialien zwischen dem Magneten und dem optischen Element zu verzichten, so daß die effektive Einkopplung des Magnetfeldes in das optische Element begünstigt wird. Außerdem ist es auf diese Weise möglich, den Magneten sehr exakt zu bewegen und seine Stellung mit sehr geringen Toleranzen zu justieren. Als Hilfe dazu kann eine Anzeigevor­ richtung für die Lage des Magneten, gegebenenfalls mit Skalierung, an den Mitteln zur Bewegung des Magneten angeordnet sein.

Nachfolgend wir die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel anhand einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt,

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Faraday-Rotators im Querschnitt

Fig. 2 den Verlauf des Magnetfeldes entlang der axialen Ausdehnung des Magneten

Fig. 3 den Drehwinkel der Polarisationsebene in Abhängigkeit von der relativen Stellung des Magneten zum optischen Element.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Faraday-Rotators ist in Fig. 1 beispielhaft dargestellt. Der Faraday-Isolator weist einen Ringmagneten 1 und ein optisches Element 2 auf. Der Ringmagnet 1 ist ein axial permanent mag­ netisierter Neodym-Eisen-Bohr-Magnet. Koaxial zu dem Ringmagneten 1 ist das optische Element 2, beispielsweise ein Terbium-Gallium-Granat-Kristall, ange­ ordnet. Das optische Element 2 ist in seiner Lage fixiert, während der Ring­ magnet 1 längs seiner Achse verschiebbar ist. Dazu ist am Außenumfang des Ringmagneten 1 ein Laufring 3 angeordnet, der von Führungsbolzen 4 gehalten wird und längs seiner Achse auf diesen Führungsbolzen 4 verschoben werden kann. Dazu weist der Laufring 3 an seinem äußeren Umfang ein Feingewinde auf, das in ein Feingewinde des den Laufring 3 umgreifenden Drehringes 5 eingreift. Der Drehring 5 wird in seiner axialen Lage von Gleitringen 6 fixiert, die den Drehring 5 gegen das Gehäuse 7 abstützen. Das Gehäuse 7 enthält in Richtung der Achse des Ringmagneten 1 vor bzw. hinter dem Ringmagneten 1 jeweils Polarisatorhalter 8 mit 90°-Prismenpolarisatoren 9. Dadurch wird der Faraday-Rotator zu einem Faraday-Isolator vervollständigt. Der Abstand der beiden Polarisatorhalter 8 voneinander ist groß genug, damit der Ringmagnet 1 mittels des Gleitringes 6 derart axial bewegt werden kann, daß das optische Element 2 im einen Extremfall vollständig von dem Durchgangsloch des Ring­ magneten 1 umfaßt wird und im anderen Extremfall sich das optische Element 2 mindestens mit dem größten Teil seiner Länge außerhalb des Durchgangsloches des Ringmagneten 1 befindet. Dadurch kann der Ringmagnet 1 in eine nahezu beliebige Lage in Bezug auf das optische Element 2 gebracht werden. Gerade das aber ist notwendig, um das optische Element 2 auch in dem inhomogenen Teil des Magnetfeldes des Ringmagneten 1 anzuordnen, nämlich in dem Bereich, in dem der Betrag der in Achsrichtung weisenden Z-Komponente der magnetischen Flußdichte ein teils positives und teils negatives Vorzeichen aufweist. Dies ist bei­ spielsweise längs der Achse des Ringmagneten 1 in der Nähe des Durchgangs­ loches des Ringmagneten 1 der Fall. Der Einfachheit halber und um die Übersicht zu erleichtern wurde in Fig. 1 auf die Darstellung eines an dem Lauf­ ring 3 befestigten Skalierstiftes verzichtet. Der Skalierstift durchragt eine Öffnung in dem Gehäuse 7 und zeigt die Stellung des Magneten innerhalb des Gehäuses 7 an. Der Skalierstift kann auch durch eine Präzisionslängenmeß­ einrichtung ersetzt werden.

Der Ringmagnet 1 weist eine Länge von 25 mm und das optische Element 2 eine Länge von 20 mm auf. Der Durchmesser des optischen Elementes 2 beträgt 5 mm und der Durchmesser des Durchgangsloches des Ringmagneten 1 beträgt 6 mm, so daß das optische Element 2 eng von dem Ringmagneten 1 umschlossen wird.

In Fig. 2 ist der Verlauf des Magnetfeldes des Ringmagneten 1 längs seiner Achse, die der Strahlachse des Lichtes entspricht, dargestellt (Angaben in mm). Dabei ist die Mitte des 25 mm langen Ringmagneten 1 bei j = 0. An der Darstellung ist erkennbar, daß die Feldstärke etwa 13 mm von der Mitte des Ringmagneten 1 entfernt, also etwa 0,5 mm außerhalb des Durchgangsloches des Ringmagneten 1, das Vorzeichen wechselt. Ordnet man den Ringmagneten 1 so an, daß dieser Punkt des Vorzeichenwechsels der Z-Komponente der magnetischen Flußdichte innerhalb des optischen Elementes 2 liegt, so wirkt auf das optische Element 2 ein Magnetfeld, dessen Z-Komponente der magnetischen Fluß­ dichte innerhalb des optischen Elementes 2 sowohl ein negatives als auch ein positives Vorzeichen aufweist. In diesem Bereich ist das Magnetfeld stark inhomogen. In Verbindung damit ist in Fig. 3 die Drehung der Polarisations­ ebene des Lichtes in Abhängigkeit von der Lage des optischen Elementes 2 in Bezug auf den Ringmagneten 1 dargestellt. Die Größe g bezeichnet die Ver­ schiebung der Mitte des Ringmagneten 1 gegen die Mitte des optischen Ele­ mentes 2 in Millimetern. Bei g = 16 ist die durch das optische Element 2 erzeugte Drehung der Polarisationsebene des Lichtes über die Gesamtlänge des optischen Elementes 2 gleich 0. In dieser Lage erreicht die Inhomogenität des auf das optische Element 2 wirkenden Magnetfeldes sein Maximum. Die Extinktion des Lichtes erreicht bei dieser Lage einen Wert von über 30 dB. Der Umstand, daß dieser Punkt etwa 3,5 mm außerhalb des Ringmagneten 1 liegt (Mitte des optischen Elementes 2, während der Vorzeichenwechsel der Z-Kompo­ nente der magnetischen Flußdichte etwa 0,5 mm außerhalb des Durchgangsloches des Ringmagneten 1 liegt, ist darauf zurückzuführen, daß das Magnetfeld, wie in Fig. 2 ersichtlich, nicht symmetrisch zu dem Punkt des Vorzeichenswechsels der Z-Komponente der magnetischen Flußdichte verläuft.

Claims (13)

1. Faraday-Rotator mit einem optischen Element und einem koaxial zu dem optischen Element angeordneten, mit einem Durchgangsloch versehenen Magneten, wobei der Magnet entlang der Durchstrahlungsrichtung des optischen Elementes bewegbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (2) im Betriebszustand des Faraday-Rotator mindestens teilweise in einem solchen Bereich des durch den Magneten (1) gebildeten Magnetfeldes angeordnet ist, in dem die parallel zur Achse des Mag­ neten (1) verlaufende Z-Komponente der magnetischen Flußdichte sowohl Beträge mit negativem als auch mit positivem Vorzeichen aufweist.

2. Faraday-Rotator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge des optischen Elementes (2) zur Länge des Magneten (1) etwa 0,5-1 beträgt.

3. Faraday-Rotator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge des optischen Elementes (2) zu der Länge des Magneten (1) etwa 0,8-1 beträgt.

4. Faraday-Rotator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmessers des optischen Elementes (2) zu dem Durchmesser des Durchgangsloches des Magneten (1) etwa 0,5-1 beträgt.

5. Faraday-Rotator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver­ hältnis des Durchmessers des optischen Elementes (2) zu dem Durchmesser des Durchgangsloches des Magneten (1) etwa 0,8-0,9 beträgt.

6. Faraday-Rotator nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (2) aus einem para- oder diamagnetischen Material gebildet ist.

7. Faraday-Rotator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (2) aus einem Material der Gruppe Terbium-Gallium-Granat, Terbium-Scandium-Granat, Terbium-Aluminium-Granat, Dysprosium-Alumi­ nium-Granat, Holmium-Aluminium-Granat, Erbium-Aluminium-Granat, Thulium-Aluminium-Granat oder Seltenerden-Aluminium-Granat gebildet ist.

8. Faraday-Rotator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Durchstrahlungsrichtung gesehen vor und hinter dem Magneten (1) und dem optischen Element (2) jeweils ein Polarisator (9) angeordnet ist.

9. Faraday-Rotator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Polarisatoren spektral breitbandige Polarisatoren (9) sind.

10. Faraday-Rotator nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem optischen Isolator 90°Prismenpolarisatoren als Eingangs- und Ausgangs­ polarisator (9) angeordnet sind.

11. Faraday-Rotator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Faraday-Rotator Mittel zur Axialbewegung des Magneten (1) auf­ weist, die außerhalb des Durchgangsloches des Magneten (1) angeordnet sind.

12. Faraday-Rotator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bewegung des Magneten (1) um den äußeren, koaxialen Umfang des Magneten (1) herum angeordnet sind.

13. Faraday-Rotator nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß an den Mitteln zur Bewegung der Magneten (1) eine Anzeigevorrichtung für die Lage des Magneten (1) angeordnet ist.