JP2008523423A - 光の偏光状態を変える方法及び光の偏光状態を変えるための装置 - Google Patents

Abstract

先ず所定のマルチ磁区構造を有する、磁性の単軸（一軸性）結晶を用いて、光の偏光状態を変える方法であって、その際、光は結晶の所定領域を貫通して、結晶（１）の個所で磁場強度Ｈ１の磁場パルスが印加され、磁場強度Ｈ１で、結晶（１）は反転可能な単磁区状態に移行する。
利用可能な開口を拡大して、できる限り僅かなスイッチング及び応答時間を達成するために、結晶（１）が当該結晶（１）での反転可能な単磁区状態に移行した後、同一極性及び磁場強度Ｈ２の保持磁場を印加し、該磁場強度Ｈ２を、磁場強度Ｈ１よりも小さくし、反転可能な単磁区状態を維持する。

Description

先ず所定のマルチ磁区（マルチドメイン）構造を有する、磁性の単軸結晶を用いて、光の偏光状態を変える方法に関しており、その際、光は結晶の所定領域を貫通して、結晶の個所で磁場強度Ｈ１の磁場パルスが印加され、磁場強度Ｈ１で、結晶は反転可能な単磁区（モノドメイン）状態に移行する方法、並びに、そのような方法を実施するための装置であって、先ず所定のマルチ磁区構造を有する磁性の単軸結晶から形成された磁気光学性のロータと、結晶に磁場を形成して印加するための、磁場及び磁場パルス用の少なくとも１つの制御可能な磁場源と、前記磁場源用の制御回路を有する、少なくとも１つの装置を有している装置に関する。本発明の対象は、光ビームの偏光を変えるための方法及び装置であり、今後、例えば、光通信システム、情報処理、ディスプレイ等で、この光ビームの方向、強度などを変えるために利用される。

多数の種類の光スイッチのうち、現在、マイクロエレクトロニックシステム（ＭＥＭＳ）がたいてい使われている。 マイクロエレクトロニックシステム（ＭＥＭＳ）の重要な利点は、当該マイクロエレクトロニックシステム（ＭＥＭＳ）が所謂「ラッチシステム」に属し、即ち、マイクロエレクトロニックシステム（ＭＥＭＳ）は、エネルギレスの安定スイッチング状態を有しており、スイッチングのためにしかエネルギを必要とせず、他方、スイッチング時間が比較的かなり短い電気光学システムは、少なくとも1つの状態で、持続的にエネルギを供給する必要がある。しかし、そのスイッチング時間は、かなり長く、約１ｍｓである。

磁気光学システムを用いると、短いスイッチング時間と、僅かな挿入減衰を所謂「ラッチ」機能（上述）と組合せる手段が開示される。オーストリア（ＡＴ）特許公開第４０８７００号公報には、多安定の偏光ロータが記載されている。このロータでの安定状態は、磁区壁（ＤＷｓ）を所定の位置に保持するオルソフェライト板の表面上の均一性によって達成される。これら各安定状態間の移行は、これらの各位置状態間の磁区壁のシフトによって、新たな磁区を形成せずに行われる。この移行に必要な期間は、約１００ｎｓであり、即ち、「ラッチ」形式の他の光学スイッチの場合よりも約数１０００倍高速である。しかし、このスイッチの開口は、かなり制限されている。

オーストリア（ＡＴ）特許公開第４１１８５２号公報には、磁性の単軸（一軸性）結晶を用いて、光の偏光状態を変えるための方法及び装置が開示されており、その際、この結晶は、先ず、所定のマルチ磁区構造を有しており、このマルチ磁区構造は、外部磁場の影響下で、印加磁場の方向に相応する磁区配向の単磁区状態に移行する。その際、結晶には、パルスの印加後、結晶が単磁区状態のままではなく、印加された磁場の方向によって特定される、所定のマルチ磁区状態、有利には、３つの磁区を有する状態に結晶が戻される磁場強度の磁場パルスが印加される。光の偏光状態を変えるのに、これまで利用されている、例えば、１．２ｍｍの高さのイットリウムオルトフェライトの外側磁区の高さは、３００〜３５０μｍである。しかし、多くの領域、例えば、光ファイバのアプリケーションで、５００〜６００μｍの範囲内の比較的大きな開口にされる。その際、開口は、印加磁場パルスによって、磁化の極性が変えられ、従って、結晶を透過する光を利用することができるゾーンによって定義される。

しかし、比較的高いオルトフェライト結晶を用いると、磁区の寸法が大きくならず、結晶内での磁区の個数を大きくすることができる。１.２ｍｍの高さの結晶ならば、中央の磁区が所望の開口を有しているのだが、これまでは以下の欠点のために用いることができなかった。結晶が単磁区状態に反転することができるような磁化に対して極性が切り換わる磁場パルスを印加する際、結晶の中央の領域の極性は、パルスの終了後初めて切り換わり初めて、数μ秒持続する。外部磁区と同じ極性の磁場パルスを印加する際、中央磁区の極性は、パルスの開始時と同時に換わり始めるが、パルスの終了後、磁化は再び元の値に戻る。

本発明の課題は、冒頭に記載した方法を改善すること、及び、装置を、利用可能な開口を拡大して、できる限り僅かなスイッチング及び応答時間を達成するようにすることにある。

この課題を解決するために、この方法は、結晶が当該結晶での反転可能な単結晶状態に移行した後、同一極性及び磁場強度Ｈ２の保持磁場を印加し、該磁場強度Ｈ２を、前記磁場強度Ｈ１よりも小さくし、反転可能な単磁区状態を維持することを特徴としている。

従って、強い磁場パルスによって高速スイッチングした後、中央の磁区が元の磁化に戻るように変換するのを阻止することができ、例えば、別の電気光学システムの場合よりも著しく小さなエネルギしか用いないで済む。従って、結晶の領域を、マルチ磁区状態で、励起磁場パルスに対して逆平行に磁化された磁区に相応する開口として利用することができ、この磁区は、約５００μｍの所望の高さを、場合によっては、それよりも更に少し大きな高さを有している。

本発明の有利な実施例によると、保持磁場Ｈ２を、磁場パルスの印加前に磁場強度を低減することによって調整するとよい。この変形実施例では、簡単に磁場強度を変えることができる。装置の構造も、非常に簡単に保持することができる。

本発明の択一的な実施例では、結晶に、磁場強度Ｈ２で、強度Ｈ１及び強度Ｈ１の磁場パルスの極性と同じ極性の磁場の保持磁場が印加される。その際、装置の構造に関してほんの少ししかコストを掛けずに、磁場パルスを形成するための回路を簡単に保持することができる。と言うのは、原理的にオンオフスイッチを1つしか設けなくてよいからである。

有利には、保持磁場の磁場強度Ｈ２を、結晶の反転可能な単磁区状態の達成のために必要な、磁場パルスの磁場強度Ｈ１の最大で１／３の大きさにし、有利には、磁場強度Ｈ１の最大１０％にするとよい。この比率は、電気光学的方法及び装置に較べてエネルギ節約に直接影響する。

本発明の方法によると、反転可能に偏光状態が切り換えられる結晶の少なくとも１つの領域に、当該領域内に、結晶の元の偏光状態が再び形成される迄、反転可能に偏光状態を切り換える磁場パルスに対して反対極性の磁場を印加するようにすると、スイッチング時間に関して更に改善することができる。結晶内に単磁区状態を誘起する磁場パルスの終了後、一層迅速に、結晶をマルチ磁区状態に戻すように偏光される。マルチ磁区状態の極性が切り換えられる単数乃至複数の磁区に相応する、元の磁性の配向に再び戻される結晶の領域に純粋に局所的に印加されるので、この利点は、比較的僅かなエネルギコスト及び装置コストで達成することができる。

本発明の別の有利な実施例では、磁区壁を、結晶内に形成された不均一領域によって所定位置に保持するようにされる。

本発明の別の変形実施例の要件により、磁場強度Ｈ１の磁場パルスの印加により極性が反転された、結晶の領域を通るように光ビームを案内するようにされる。結晶の、この領域は、約５００μｍの高さの、磁化が切り換えられる中央の磁区であり、その結果、本発明の方法及び装置の適用可能性が拡大され、例えば、光ファイバの適用領域にも拡張することができる。

冒頭に記載した、光の偏光状態を変えるための装置は、本発明の課題を解決するために、少なくとも２つの異なった磁場強度Ｈ１，Ｈ２の磁場を形成するための装置が構成されていることを特徴としている。従って、この装置は、結晶の比較的大きな単数乃至複数の磁区、たいていの場合、中央の磁区の磁気偏光状態を、強い磁場パルスの印加により切り換えることによって生起される、高速スイッチング時間と、それと同時に、光の偏光状態を変えるために大きな開口を達成することができる。結晶の、この領域を元の磁化に戻すように切り換えること、従って、結晶をマルチ磁区状態に戻すことは、保持磁場によって阻止することができ、その結果、光を案内するために比較的大きな単数乃至複数の磁区を利用することができる。

本発明の装置の有利な実施例では、制御可能な磁場源の制御回路は、種々異なった磁場強度Ｈ１，Ｈ２の磁場乃至磁場パルスを形成するための磁場源を制御する少なくとも２つのスイッチング状態を有している。制御可能な磁場源として、装置の簡単な実施例では、結晶を囲む個別の磁気コイルが設けられており、その際、そのための制御装置は、同様に簡単に構成することができる。

別の実施例によると、磁場を形成し、且つ、結晶に磁場を印加するための装置は、少なくとも２つのスイッチング状態を有する制御可能な磁場源と永久磁場源を有しており、その際、制御可能な磁場源は、一方のスイッチング状態で、永久磁場源の磁場パルスの磁場強度Ｈ２よりも著しく高い磁場強度の磁場パルスを供給することができ、その際、制御装置は、依然として簡単であり、制御可能な磁場源のオン/オフスイッチングに制限することができる。永久磁場源は、極めて簡単に、場合によっては結晶上又は結晶の横に取り付けられた永久磁石によって構成することができる。

単磁区状態用の磁場パルスの終了後、結晶をマルチ磁区状態に戻すように偏光するのを加速するために、従って、ここでも、スイッチング時間を改善するために、本発明によると、別の制御可能な磁場源が設けられており、該磁場源は、第１の磁場源の磁場パルスによって極性が反転された領域の範囲に相応する、結晶の１つの領域だけに磁場又は磁場パルスを印加し、別の制御可能な磁場源の極性は、磁場強度Ｈ１，Ｈ２の磁場乃至磁場パルスの極性とは反対であるような実施例が設けられている。結晶の領域を、つまり、３つの磁性磁区を有する結晶のたいていの初期状態では、結晶の中央領域を純粋に局所的に磁場又は磁場パルスを印加するので、この効果は、比較的僅かなエネルギコスト及び装置コストで達成することができる。

本発明の装置の有利な実施例によると、結晶は、有利には結晶の側面に非均一領域がある、磁区を所定の位置に固定する非均一領域を有している。

更に、本発明の方法並びに相応の装置の別の特徴及び利点について、以下、図示の実施例を用いて詳細に説明する。

その際：図１ａは、３つの磁区状態の磁気コイルが囲んでいる本発明の装置の１つの結晶の略図、図１ｂは、負極性の磁場パルスの印加後の単磁区状態の図１ａの結晶を示す図、
図２は、各磁区の位置安定化用の非均一性を略示した本発明の装置の結晶の有利な実施例を示す。

図示の、本発明の装置の結晶１は、例えば、イットリウムオルソフェライト製又は同様の磁性単軸性材料製である。この結晶は、所定の波長用の光軸に対して垂直方向に切断されている。イットリウムオルソフェライトの場合、光軸は結晶学的ｂｃ面内に位置しており、波長１．３μｍの場合、ｃ軸と４７°をなす。前述の波長の場合に、４５°の偏光面の回転に必要な厚みは、１．１ｍｍであり、結晶１の高さは、１．２ｍｍである。

外部磁場なしでは、結晶１は、当初、３つの磁性磁区３，４，５を有する状態である。そのような結晶１では、相互に当接していて、各々逆方向に磁化された磁区３，４，５の磁区壁２は、結晶学的ａ軸の方向に対して垂直方向に配向されている（図１ａ参照）。図１ａの図示の実施例では負に磁化されている上側の磁区３及び下側の磁区４の高さは、約３００〜３５０μｍであり、それに対して、真ん中の磁区は、正に磁化されていて、約５００μｍの高さを有しており、場合によっては、もう少し高い。
結晶１の全体を囲むコイル６を用いて、磁場強度Ｈ１の負極性の磁場パルスを印加する際、図１ｂに図示されている反転可能な単磁区状態になる迄磁化される。コイル６は、図１ａ及び１ｂでは、単に略示されているにすぎず、実際には、結晶１よりも高い乃至厚い。

例えば、１．２ｍｍの高さの結晶１の場合、コイルは、約１．５ｍｍの高さを有している。

印加された磁場パルスにより結晶１が単磁区状態になった後も、この磁場パルスは完全には終了されず、この磁場パルスの初期の磁場強度Ｈ１が、単に、同様にコイル６によって形成された、磁場強度Ｈ１の高々１／３である保持磁場強度Ｈ２に戻されるにすぎない。たいてい、磁場強度Ｈ１の最大１０％の保持磁場強度Ｈ２で足りる。この保持磁場Ｈ２によって、図１ｂの単磁区状態は、非常に僅かなエネルギ消費で維持され、中央の磁区５が、元の配向（図１ａ）に反転磁化されるのが阻止される。

それから、コイル６への電流給電を終了して磁場強度をゼロに低減すると、中央の磁区５を正に磁化して、結晶を、図１ａのマルチ磁区状態に戻すことができるようになる。この状態は、同様に外部エネルギ供給なしに維持することができる。外部からのエネルギ供給なしに何れにせよ非常にゆっくりと、μｓ領域内で、この状態に戻って行く。この戻り時間を加速して、装置のスイッチング時間を改善するために、中央の磁区に局所的に、中央の磁区の磁化が正の方向に切換る際にのみ作用する正の局所磁場パルスＨlｏｃを印加することができる。これは、例えば、中央の磁区５を囲む、乃至、中央の磁区５上に載置された第２の磁気コイル７によって実施することができ、これにより、付加的に、負に磁化された磁区３，４が、コイル７の外側に否定的に作用しないという利点が得られる。

これに対して、結晶全体に作用する正の磁場パルスは、相応の磁場強度の場合、結晶全体の磁化を持続的に正に反転するように作用し、その結果、後続の磁化の反転は、その都度、非常に高い保磁力を克服する必要がある。

保持磁場Ｈ２は、コイル６による代わりに、場合によっては、永久磁石によっても結晶１で、又は、結晶１に並んで形成することができ、その際、磁場源は、磁場強度Ｈ１での磁場パルスの形成のために、完全にスイッチオフされ、結晶１は、完全に、外部からのエネルギ供給なしに、図１ｂの反転磁化状態に保持することができる。

磁区３，４，５の位置安定のために、ここでも結晶での不均一(一様でない）部分を使用することができる。この非均一領域８、例えば、ひび、掻き傷等が、結晶１の表面上に形成され、場合によっては、図２に示されているように、結晶１の単数乃至複数の側面に形成されている。ひび７乃至掻き傷８の方向は、結晶学的ａ磁区に対して垂直方向及び磁区３，４，５の壁２の面に対して平行である。

光ビームが中央の磁区５を通る場合、光の偏光は、磁化の方向に依存して、従って、高速スイッチング可能に変えられる。

ａは、３つの磁区状態の磁気コイルが囲んでいる本発明の装置の１つの結晶の略図、ｂは、負極性の磁場パルスの印加後の単磁区状態のａの結晶を示す図 各磁区の位置安定化用の非均一性を略示した本発明の装置の結晶の有利な実施例を示す図

Claims (12)

1. 先ず所定のマルチ磁区構造を有する、磁性の単軸（一軸性）結晶を用いて、光の偏光状態を変える方法であって、光は前記結晶の所定領域を貫通して、結晶（１）の個所で磁場強度Ｈ１の磁場パルスが印加され、前記磁場強度Ｈ１で、前記結晶（１）は反転可能な単磁区状態に移行する方法において、結晶（１）が当該結晶（１）での反転可能な単結晶状態に移行した後、同一極性及び磁場強度Ｈ２の保持磁場を印加し、該磁場強度Ｈ２を、前記磁場強度Ｈ１よりも小さくし、反転可能な単磁区状態を維持することを特徴とする方法。
2. 保持磁場Ｈ２を、磁場パルスの印加前に磁場強度を低減することによって調整する請求項１記載の方法。
3. 結晶（１）に、磁場強度Ｈ２で、強度Ｈ１及び強度Ｈ１の磁場パルスの極性と同じ極性の磁場の保持磁場が永続的に印加される請求項１又は２記載の方法。
4. 保持磁場の磁場強度Ｈ２を、結晶（１）の反転可能な単磁区状態の達成のために必要な、磁場パルスの磁場強度Ｈ１の最大で１／３の大きさにし、有利には、前記磁場強度Ｈ１の最大１０％にする請求項１から３迄の何れか１記載の方法。
5. 反転可能に偏光状態が切り換えられる結晶（１）の少なくとも１つの領域（５）に、当該領域（５）内に、前記結晶（１）の元の偏光状態が再び形成される迄、反転可能に偏光状態を切り換える磁場パルスに対して逆極性の磁場を印加する請求項１から４迄の何れか１記載の方法。
6. 磁区壁（２）を、結晶（１）内に形成された不均一領域（６）によって所定位置に保持する請求項１から５迄の何れか１記載の方法。
7. 磁場強度Ｈ１の磁場パルスの印加により極性が反転された、結晶（１）の領域を通るように光ビームを案内する請求項１から６迄の何れか１記載の方法。
8. 請求項１から７迄の何れか１記載の方法により光の偏光状態を変えるための装置であって、先ず所定のマルチ磁区構造を有する磁性の単軸結晶（１）から形成された磁気光学性のロータと、結晶（１）に磁場を形成して印加するための、磁場及び磁場パルス用の少なくとも１つの制御可能な磁場源と、前記磁場源用の制御回路を有する、少なくとも１つの装置を有している装置において、少なくとも２つの異なった磁場強度Ｈ１，Ｈ２の磁場を形成するための装置が構成されていることを特徴とする装置。
9. 制御可能な磁場源の制御回路は、種々異なった磁場強度Ｈ１，Ｈ２の磁場乃至磁場パルスを形成するための磁場源を制御する少なくとも２つのスイッチング状態を有している請求の請求項８記載の装置。
10. 磁場を形成し、且つ結晶（１）に印加するための装置は、少なくとも２つのスイッチング状態と、1つの永久磁場源を有する制御可能な磁場源を有しており、前記制御可能な磁場源は、一方のスイッチング状態で前記永久磁場源の磁場強度Ｈ２よりも著しく高い磁場強度Ｈ１の磁場パルスを供給する請求項８記載の装置。
11. 別の制御可能な磁場源が設けられており、該磁場源は、第１の磁場源の磁場パルスによって極性が反転された領域（５）の範囲に相応する、結晶（１）の領域（５）だけに磁場又は磁場パルスを印加し、前記別の制御可能な磁場源の極性は、磁場強度Ｈ１，Ｈ２の磁場乃至磁場パルスの極性とは反対である請求項８又は９記載の装置。
12. 結晶（１）は、有利には前記結晶（１）の側面に非均一領域（８）がある、磁区（３，４，５）を所定の位置に固定する非均一領域（８）を有している請求項８から１１迄の何れか1記載の装置。

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