ES2252056T3 - Elemento de conexion magneto-optico con un rotador de faraday. - Google Patents

Abstract

Elemento de conexión magneto-óptico con un rotador de Faraday compuesto por un cristal de un eje magnético, caracterizado porque el rotador en cada uno de sus estados estables sin campo magnético externo aplicado presenta dominios magnéticos de ambas orientaciones, cuyas paredes pueden desplazarse para la conmutación a otro estado estable mediante la aplicación de un campo magnético externo sin formación de dominios adicionales.

Description

Elemento de conexión magneto-óptico con un rotador de Faraday.

La invención se refiere a un elemento de conexión magneto-óptico con un rotador de Faraday formado por un cristal de un eje magnético, tal como los que se emplean en los sistemas de conexión ópticos, en las redes ópticas de la tecnología de la información y en el tratamiento de datos para variar la trayectoria óptica de un haz de luz, en obturadores ópticos, elementos ópticos de atenuación o en sistemas de modulación de la luz dependientes de la posición que pueden modificar la intensidad de determinados haces parciales.

Los interruptores, obturadores y similares óptico-mecánicos tienen la ventaja de que casi siempre pueden realizarse, con medios relativamente sencillos, estados de conexión estables sin un consumo de energía permanente. La desventaja de este tipo de elementos de conexión mecánicos es su velocidad de conexión relativamente reducida que, en función de la naturaleza, excluye una aplicación en muchas áreas del tipo indicado al principio.

Son posibles velocidades de conexión correspondientemente altas, por ejemplo, mediante los conocidos elementos de conexión electro-ópticos (véase, por ejemplo, el documento US-PS 5.712.935) o acústico-ópticos (véase, por ejemplo, el documento US-PS 5.883.734) que, no obstante, para mantener estados de conexión estables requieren a su vez una alimentación permanente de energía. Las excepciones aquí son, por ejemplo, los elementos de conexión basados en el efecto electro-óptico con materiales amorfos que también presentan estados estables sin alimentación permanente de energía (véase, por ejemplo, el documento EP 0 500 402), siendo, no obstante, su tiempo de conexión relativamente alto dado que los tiempos de transición entre los estados estables se sitúan en el orden de los ms.

Los conocidos elementos de conexión magneto-ópticos mencionados al principio ofrecen aquí una solución de compromiso. En comparación con los elementos mecánicos, no tienen ninguna pieza móvil y, por tanto, tienen una sensibilidad correspondientemente reducida a las vibraciones o golpes y una velocidad de conexión mucho mayor, no obstante, están ligados a un funcionamiento dependiente de la longitud de onda. Comparados con los rápidos elementos de conexión electro-ópticos y acústico-ópticos, tienen estados estacionarios sin alimentación externa de energía, no obstante, asociados a tiempos de conexión algo mayores.

En combinación con esto último ha de remitirse, por ejemplo, a los siguientes trabajos o publicaciones: M. Shirasaki, H. Nakajima, T. Obokata y K. Asama: Non-mechanical Optical Switch for Single-Mode Fibers, Appl. Opt. 21, 4229 (1982); M. Shirasaki, H. Takamatsu y T. Obokata: Bistable Magnetooptic Switch for multimode Optical Fiber, Appl. Opt. 21, 1943 (1982); M. Shirasaki et al: Magnetooptical 2 x 2 switch for single-mode fibers, Appl. Opt. 23, 3271 (1984); M. Shirasaki: Faraday Rotator Assembly, patente estadounidense 4.609.257 (1986); S. Takeda, Faraday rotator device and optical switch containing same, patente europea 0 381 117 (1991); M Shirasaki: Faraday rotator which generates a uniform magnetic field in a magnetic optical element, patente estadounidense 5.812.304 (1998).

Estos documentos muestran rotadores magneto-ópticos biestables de Faraday que no requieren una alimentación permanente de energía, sino que sólo necesitan energía para los procesos de conmutación entre los estados estables. En este caso, la biestabilidad se basa en la histéresis magnética, es decir, en la capacidad de determinados materiales magnéticos de permanecer en un estado magnético tras la magnetización de saturación. Las materiales magnetoópticos (MO) empleados en este trabajo se componen de una mezcla de piropo. Estos materiales no poseen un ciclo de histéresis rectangular y, por tanto, tampoco permanecen magnetizados en ausencia de un campo externo.

Para generar la biestabilidad se colocó el material MO en el campo de un electroimán con un núcleo de material magnético semi-duro (M. Shirasaki et al: Magnetooptical 2 x 2 switch for single-mode fibers, Appl. Opt. 23, 3271 (1984)). El núcleo se magnetiza hasta la saturación mediante el impulso de corriente eléctrica que fluye con determinada polaridad a través de los devanados. Finalizado el impulso, queda magnetizado tanto el núcleo como el material MO y se ajusta una rotación del plano de polarización de la luz que pasa a través del material MO. Una variación de la polaridad de la corriente provoca una variación del sentido de rotación del plano de polarización. Los dos estados son estables y el sistema permanece allí sin absorción adicional de
energía.

Para impedir, durante la inversión del cambio magnético que ocasiona una variación irregular de la polarización de la luz que sale, un desplazamiento de las paredes del dominio en el rotador se incorporó un campo magnético adicional (M. Shirasaki: Faraday Rotator Assembly, patente estadounidense 4.609.257 (1986) y M. Shirasaki: Faraday rotator which generates a uniform magnetic field in a magnetic optical element, patente estadounidense 5.812.304 (1986)). Este campo se genera mediante un imán y mantiene el rotador en el estado de un dominio. Por tanto, el campo magnético del electroimán sólo provoca la rotación de magnetización y no ejerce influencia sobre la estructura del dominio.

A este respecto, una desventaja consiste en la lenta conmutación de la dirección de magnetización y, especialmente, en la conmutación del sentido de giro de la polarización. Según el documento EP 0 381 117 (1991): "Faraday rotator device and optical switch containing the same", en el ejemplo 2 el tiempo de conexión era de aproximadamente 500 ms. En el artículo de M. Shirasaki et al: "Non-mechanical Optical Switch for Single-Mode Fibers, Appl. Opt. 21, 4229 (1982)" el tiempo de conexión era de aproximadamente 10 \mus. Esta duración de conexión relativamente larga está relacionada con la gran inductividad de la bobina del electroimán: ésta es de aproximadamente 7 mH. Si se utilizan imanes permanentes y otras configuraciones, por ejemplo, según el documento de patente estadounidense 5.812.304, el campo del electroimán debe tener valores mucho más altos, dado que para la rotación de magnetización debe conseguirse el campo de saturación generado mediante los imanes permanentes. Esto conduce necesariamente a tiempos de conexión mucho mayores que los anteriormente citados de 10 \mus. Una ventaja adicional de este elemento de conexión conocido es su tamaño, que viene determinado a partir de las dimensiones del núcleo del electroimán. Además, no es posible un funcionamiento multiestable del rotador.

El objetivo de la presente invención es evitar las desventajas citadas de los conocidos elementos de conexión magneto-ópticos descritos del tipo citado al principio y, en especial, reducir los tiempos de conexión, la energía de conexión necesaria y las dimensiones totales del elemento de conexión, así como, de forma ventajosa, posibilitar también un funcionamiento multiestable con varios estados de conexión.

Este objetivo se consigue según la presente invención con un elemento de conexión magneto-óptico del tipo citado al principio porque el rotador presenta, en cada uno de sus estados estables sin campo magnético externo aplicado, dominios magnéticos de ambas orientaciones, cuyas paredes pueden desplazarse para la conmutación a otro estado estable sin generar dominios adicionales mediante la aplicación de un campo magnético externo. El elemento de conexión proporcionado de este modo puede tener de forma sencilla diferentes estados estables en los que puede permanecer de forma ilimitada sin absorción de energía. La transición entre estos estados de conexión estables tiene lugar en el intervalo de los nanosegundos, presentándose únicamente pequeñas pérdidas ópticas en la gama infrarroja, requiriéndose muy poca energía de conmutación y pudiendo mantenerse en total dimensiones muy reducidas.

Se conocen materiales magneto-ópticos con ciclo de histéresis rectangular, es decir, estos materiales permanecen magnetizados en ausencia de un campo magnético externo. Las ortoferritas, por ejemplo, son representantes de este grupo de materiales. Las ortoferritas son ferromagnetos débiles que se caracterizan por una magnetización resultante reducida y una anisotropía magnética uniaxial muy alta. Las ortoferritas son cristales biaxiales ópticos. Sólo pueden ponerse en práctica grandes ángulos de la rotación de Faraday en ausencia de doble refracción cristalina, es decir, si la luz se propaga a lo largo de los ejes ópticos del cristal. En este caso surgen altos valores del índice FM, que es la relación de la rotación de Faraday respecto a la absorción. En la gama visible y una parte junto a la gama de infrarrojos (inclusive la longitud de onda importante para la tecnología óptica de la información de 1,55 \mum), las ortoferritas tienen los mejores valores FM de todos los cristales magneto-ópticos. Una ventaja importante de las ortoferritas en comparación con otros materiales magnéticos es la extremadamente alta velocidad de las paredes de los dominios de 20 km/s.

La alta intensidad del campo coercitivo de las ortoferritas es una ventaja importante en el modo de aislamiento óptico. No obstante, en las aplicaciones dinámicas en el desarrollo de interruptores ópticos, obturadores, moduladores de luz espaciales, atenuadores ópticos, etc., la alta intensidad del campo coercitivo es una desventaja dado que requiere altas intensidades de campo. Las altas intensidades del campo coercitivo se forman debido a la necesidad de dominios magnetizados de igual manera a ambos lados. Al magnetizar hasta la saturación se consiguen en cada caso los estados estables del rotador, presentándose un único dominio y ningún dominio con orientación opuesta. Para rotar los dominios de sentidos contrarios, son necesarios altos campos magnéticos, además sólo existen dos estados estables (de acuerdo con los dos sentidos de la magnetización de saturación) que no varían tras la desconexión del campo magnético externo.

La forma de trabajo del rotador mejora ahora según la invención dado que en los estados estables del rotador, que no varían tras la desconexión del campo magnético externo, ya están presentes dominios de ambas orientaciones (es decir, al menos dos dominios con diferente orientación). La existencia de las dos orientaciones de dominios solventa el problema de su formación y conduce a reducidos campos magnéticos externos necesarios o a la reducción de los tiempos de conexión. Para conseguir esto, según una configuración ventajosa de esta invención, se incorporan irregularidades o variaciones de la red cristalina en el rotador.

Este tipo de irregularidades ya se utilizó en otro contexto para desarrollar memorias magneto-ópticas. En los trabajos de Te-Ho Wu et al, Magnetic domain pinning in patterned magneto-optical material. J. Appl. Phys 85, 5980-5982 (1999); S. Gadetsky, J. K. Edwin, M. Mansuripur y T. Suzuki, Magneto-optical recording on patterned substrates, J. Appl. Phys. 79, 5687 (1996) se estructuraron los sustratos en los que se aplicó una fina película de material magneto-óptico. Los cantos de la estructura resultante se utilizaron como delimitación de los dominios. Según el documento RU 2 029 978 C1 se utilizan irregularidades en forma de depresiones con fondos planos en el material de película magneto-óptico para obtener áreas de dominio individuales. En ambos casos, se facilitaron dominios individuales en determinadas áreas dado que se modifica el espesor de un material de soporte sobre el que se aplica la película magneto-óptica o el propio espesor de la película magneto-óptica. Esto no es posible con sólidos cristalinos dado que es prácticamente imposible producir depresiones con dimensiones de fracciones de milímetros, con fondos planos y en calidad óptica en un cristal. Además, en todos los casos mencionados para la conmutación de la orientación de los dominios se necesita a su vez, en primer lugar, la formación de dominios orientados en sentidos contrarios, de manera que las desventajas descritas anteriormente de los campos magnéticos relativamente intensos necesarios también se sigan manteniendo aquí.

En el documento DE 28 39 216 A1 se describe un modulador magneto-óptico en el que para iniciar la conmutación no es necesaria la formación de dominios de orientación opuesta en cada caso. Una película magneto-óptica de un eje magnético está dividida en zonas a modo de islas que están separadas magnéticamente entre sí. Cada isla contiene varios dominios con diferentes orientaciones. Como consecuencia de la falta de influencia magnética entre las islas, cada una de ellas puede magnetizarse ligeramente separada por campos magnéticos de pequeñas bobinas que actúan directamente sobre la isla correspondiente. Dado que en ausencia de campos magnéticos externos las islas individuales están desmagnetizadas, el proceso de magnetización consiste en un movimiento de las paredes de los dominios. No obstante, en la disposición dada esto significa una falta de estados estables en el sentido en que el rotador permanece sin campo magnético externo; cuando se desconecta el campo externo, las dilataciones de los dominios magnéticos opuestos se hacen iguales entre sí, con lo que la rotación total de Faraday de estas islas se hace nula.

Según la presente invención, por el contrario, el objetivo principal de las irregularidades mencionadas ha de verse en fijar las paredes de dominio de los dominios existentes en los puntos predeterminados, con lo que durante la conmutación sólo deben desplazarse las paredes de dominio existentes y no es necesaria además una formación inicial de dominios con signos contrarios en cada caso. Por tanto, las irregularidades según la presente invención sólo son necesarias en los puntos en los que deben permanecer las paredes de dominio tras la desconexión del campo magnético externo (de forma correspondiente al estado estable deseado del rotador) y no en toda el área que queda cubierta por los dominios existentes, tal como se describió anteriormente en relación con el estado de la técnica.

Las irregularidades consisten, por ejemplo, en delgados rasguños en la superficie del cristal. Los rasguños representan nuevos mínimos locales de la energía magnética y fijan las paredes de los dominios. Por tanto, la estructura de los dominios con el campo magnético externo desconectado se mantiene en el estado dado. En función de la profundidad de los rasguños se regula la intensidad del campo coercitivo, es decir, el campo magnético necesario para separar los dominios de los rasguños, de la estructura de dominios dada. Si se aplican a la muestra diferentes grupos de rasguños o, en general, variaciones de la red cristalina, pueden generarse diferentes puntos de fijación de las paredes de los dominios y, por tanto, diferentes estados estables del rotador o elemento de conexión.

A continuación, se explican otras características y ventajas de la invención especialmente mediante los dibujos parcialmente esquemáticos. En este caso, la figura 1 muestra un elemento de conexión multiestable según la presente invención, la figura 2, un rotador multiestable con imanes permanentes para su uso en un elemento de conexión según la presente invención, la figura 3, un elemento de conexión multiestable según la presente invención como interruptor óptico, y la figura 4, un elemento de conexión correspondiente según la invención para su uso como obturador óptico.

La figura 1 muestra como ejemplo esquemático de una realización de la invención un rotador con una plaquita 1 de cristal - ortoferrita con tres grupos 2, 3, 4 de rasguños 10 superficiales como variación de la red cristalina. La plaquita 1 de cristal está cortada perpendicular al eje óptico, la flecha a muestra la dirección del eje a cristalográfico. Uno de los grupos 2 está correlacionado con el estado de equilibrio de los dominios. Las separaciones entre los rasguños 10 son del mismo tamaño y corresponden a las anchuras de equilibrio de los dominios en las plaquitas. Otro grupo 3 corresponde al estado de la magnetización parcial (positiva) de la plaquita. Por tanto, este grupo se compone de rasguños 10 con diferentes separaciones en lados alternos a los rasguños 10 del grupo 2. Para variar la estructura de los dominios se aplica un campo magnético externo pulsado. Durante el impulso se amplían los dominios orientados en la dirección del campo magnético aplicado a costa de los orientados de forma contraria. Si la amplitud y la duración del impulso es suficientemente grande, las paredes de dominio alcanzan los rasguños 10 del grupo 3 que fijan las paredes de dominio: finalizado el impulso permanecen en estas posiciones, el rotador se encuentra en un estado estable. Para volver al estado original, debe aplicarse un impulso magnético de sentido opuesto. De forma análoga al grupo 3, puede generarse un grupo 4 opuesto. Con ello, se ajusta otro estado estable. De esta manera pueden aplicarse diferentes grupos de rasguños 10 con diferentes separaciones respecto al conjunto 2 y, por tanto, se define un gran número de estados estables del interruptor.

La amplitud y duración del impulso de campo magnético se elige en función de las separaciones entre los rasguños 10. Si la amplitud es demasiado pequeña o la duración demasiado corta, las paredes de dominio no pueden alcanzar el siguiente grupo de rasguños y al finalizar el impulso vuelven a su posición inicial. Si la amplitud es demasiado grande o la duración es demasiado larga, las paredes de dominio se desplazan más de lo necesario y al finalizar el impulso se desplazan nuevamente hacia los rasguños.

En otra realización de la invención según la figura 2, los rasguños aplicados para la fijación de los dominios se combinan con un campo magnético no homogéneo. Este campo se genera mediante imanes (5) permanentes y se usa para la fijación de la estructura del dominio. De esta manera, se amplían las realizaciones y las propiedades dinámicas del rotador. La velocidad de desplazamiento de las paredes de dominio se amplía con un aumento del campo magnético (en un amplio intervalo de velocidad existe la proporcionalidad entre estos valores). Cuanto más cortos deban ser los tiempos de conexión, mayor debe ser el impulso de campo magnético. No obstante, los campos magnéticos demasiado altos pueden ocasionar desplazamientos irreversibles de los dominios, tales como, por ejemplo, la formación de nuevos dominios. La aplicación de un campo magnético en forma de gradiente estabiliza las paredes de dominio y limita su movilidad. El campo de gradiente se genera mediante dos pares de pequeños imanes permanentes. El campo magnético generado por cada par tiene una polaridad contraria y el rotador se divide en dos dominios. En ausencia de otros campos magnéticos, la pared de dominio se encuentra en el punto en el que el campo de gradiente tiene el paso por cero (línea de campo cero): un estado estable (correspondiente al grupo 2 de la figura 1) del interruptor. A ambos lados de esta línea se aplican los rasguños. Éstos representan líneas rectas paralelas a la línea de campo cero. Bajo la acción de un impulso de campo magnético la pared de dominio alcanza un determinado rasguño. Si la fijación es suficientemente fuerte, la pared de dominio permanece suspendida en este rasguño tras finalizar el impulso. Por tanto, se forman estados estables correspondientes a los grupos de rasguños.

En un amplio intervalo del campo magnético externo, el valor absoluto de la rotación del plano de polarización en los dominios es independiente del tamaño del campo magnético. Por tanto, la función del rotador no se ve afectada por la falta de homogeneidad de los campos magnéticos externos.

Las variaciones de la estructura de los dominios entre los estados estables tienen un carácter regular. Consisten en el desplazamiento de las paredes de dominio y no ocasionan fluctuaciones indeseadas de la luz.

Los tiempos de conexión más cortos del rotador se limitan principalmente por la duración mínima de los impulsos individuales del campo magnético; se sitúan en el intervalo de ns.

La figura 3 muestra un esquema de conexión que se basa en un rotador óptico multiestable. El espesor de la plaquita 1 de ortoferrita se elige de manera que el plano de polarización de la luz que pasa previamente a través de un polarizador 7 gira 45º. El signo de la rotación depende del dominio a través del cual pasa la luz. Si la luz pasa a través del dominio cuya magnetización es antiparalela a la dirección del paso de la luz, se produce un giro en el sentido horario. Tras pasar a través de un elemento (6) de separación de polarización, la luz se propaga en dirección horizontal. Si la luz pasa a través del dominio magnetizado opuesto, el plano de polarización gira 45º y, tras pasar a través de un elemento (6) de separación de polarización, la luz se propaga en la dirección vertical.

La figura 4 muestra el esquema de un obturador óptico que se basa en el rotador multiestable. En el caso a), el analizador (8) extingue el haz de luz polarizada. En el caso b), una parte del haz de luz pasa a través del analizador 8, en concreto, precisamente la parte que ha pasado a través del dominio magnetizado en paralelo a la dirección de paso de la luz. En el caso c), se permite el paso de todo el haz de luz a través del analizador 8.

Tal como ya se ha comentado al principio, en lugar de los rasguños superficiales en el cristal del rotador para la estabilización de los dominios, también pueden preverse otras variaciones de la red cristalina, por ejemplo, cavidades, incisiones externas o similares previstas en el interior del cristal o también variaciones del dopado por zonas. En lugar de estas variaciones de la red cristalina que se extienden linealmente por el cristal, también puede trabajarse con otras formas o configuraciones de este tipo de variaciones de la red cristalina, también son posibles áreas delimitadas, líneas discontinuas, etc., debiendo garantizarse únicamente que estás áreas sean adecuadas para fijar las paredes de los dominios tras la desconexión de un campo magnético externo. Mientras que también en el estado estable del elemento de conexión magneto-óptico proporcionado de esta manera sigan existiendo dominios magnéticos de ambos signos en el cristal de rotación, también se mantienen todas las ventajas antes citadas de la
invención.

Claims (10)

1. Elemento de conexión magneto-óptico con un rotador de Faraday compuesto por un cristal de un eje magnético, caracterizado porque el rotador en cada uno de sus estados estables sin campo magnético externo aplicado presenta dominios magnéticos de ambas orientaciones, cuyas paredes pueden desplazarse para la conmutación a otro estado estable mediante la aplicación de un campo magnético externo sin formación de dominios adicionales.

2. Elemento de conexión según la reivindicación 1, caracterizado porque para la estabilización de los dominios en ausencia de un campo magnético externo están previstas variaciones de la red cristalina del cristal para fijar en ellas las paredes de los dominios.

3. Elemento de conexión según la reivindicación 2, caracterizado porque las variaciones de la red cristalina están formadas por arañazos, rasguños, ranuras superficiales o similares en el cristal.

4. Elemento de conexión según la reivindicación 2, caracterizado porque las variaciones de la red cristalina están formadas por cavidades, orificios, incisiones externas o similares previstas en el interior del cristal.

5. Elemento de conexión según la reivindicación 2, caracterizado porque las variaciones de la red cristalina se forman mediante dopados o variaciones del dopado por zonas del cristal.

6. Elemento de conexión según una o varias de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado porque a ambos lados de las paredes de los dominios están previstas con separaciones determinadas varias variaciones de la red cristalina en correspondencia con varios puntos estables de conexión del cris-
tal.

7. Elemento de conexión según una o varias de las reivindicaciones 2 a 6, caracterizado porque el cristal es una ortoferrita seccionada fundamentalmente en perpendicular al eje óptico y dispuesta con éste fundamentalmente en paralelo a la dirección del haz de luz que la atraviesa.

8. Elemento de conexión según la reivindicación 7, caracterizado porque las variaciones de la red cristalina se extienden por el cristal fundamentalmente de forma lineal y al menos aproximadamente perpendiculares al eje a cristalográfico.

9. Elemento de conexión según una o varias de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque en el cristal se aplica de forma permanente un campo magnético de gradiente con paso por cero en la zona del cristal, preferiblemente mediante al menos un par de imanes permanentes.

10. Uso de un elemento de conexión según una o varias de las reivindicaciones 1 a 9 como interruptor, obturador, modulador o atenuador óptico multiestable.