МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ С ВРАЩАТЕЛЕМ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ НА ЭФФЕКТЕ ФАРАДЕЯ Российский патент 2005 года по МПК G02F1/09 G02B6/12 

Изобретение относится к магнитооптическому переключающему элементу с вращателем плоскости поляризации на эффекте Фарадея, выполненным из магнитного одноосного кристалла, применяемому, например, в оптических переключающих системах, в оптических сетях техники передачи данных и обработки данных для изменения оптического пути светового луча, в оптических затворах, оптических элементах ослабления или системах модуляции света в зависимости от положения, которые могут изменять интенсивность определенных частичных лучей.

Механические оптические переключатели, затворы и другие подобные элементы имеют то преимущество, что они обеспечивают реализацию, по крайней мере с помощью относительно простых средств, стабильных состояний переключения без непрерывного потребления энергии. Недостатком подобных механических переключающих элементов является их относительно низкая скорость переключения, вследствие чего исключается возможность применения вышеупомянутых средств переключения во многих областях.

Соответственно высокие скорости переключения могут быть реализованы, например, известными электрооптическими (см., например, патент США 5712935) или акустооптическими переключающими элементами (см., например, патент США 5883734), которые, однако, для поддержания стабильных состояний переключения требуют непрерывного подвода энергии. В данном случае исключения составляют, например, переключающие элементы на основе электрооптического эффекта, выполненные из аморфного материала и обеспечивающие сохранение стабильных состояний переключения без непрерывного подвода энергии (см., например, ЕР 0500402), однако их время переключения также имеет относительно высокое значение, так как переходные процессы между стабильными состояниями занимают интервалы времени в диапазоне миллисекунд.

Упомянутые выше известные магнитооптические переключающие элементы обеспечивают компромиссное решение. По сравнению с механическими переключателями они не имеют подвижных элементов и характеризуются, следовательно, соответственно более низкой чувствительностью к вибрациям и толчкам и существенно более высокой скоростью переключения, связанной с функцией, зависящей от длины волны. По сравнению с быстродействующими электрооптическими и акустооптическими переключающими элементами они обладают стационарными состояниями, не требующими внешнего подвода энергии, разумеется, связанными с несколько более высокими значениями времени переключения.

В связи с последним указанным выше решением следует указать на следующие работы или публикации: М.Shirasaki, H.Nakajima, T.Obokata, K.Asama: Non-mechanical Optical Switch for Single-Mode Fibers, Appl. Оpt. 21, 4229 (1982); М.Shirasaki, H.Takamatsu, T.Obokata: Bistabile Magnetooptical 2×2 Switch for Single-Mode Fibers, Appl.0pt.23, 3271 (1982); патент США 4609257 (1986) на имя М.Shirasaki на “Вращатель плоскости поляризации на эффекте Фарадея”; ЕР 0381117 (1991), выданный на имя S.Takeda на “Вращатель плоскости поляризации на эффекте Фарадея и содержащий его оптический переключатель”; патент США 5812304 (1998) на имя М.Shirasaki на “Вращатель плоскости поляризации на эффекте Фарадея, генерирующий равномерное магнитное поле в магнитооптическом элементе”.

В указанных публикациях описаны бистабильные магнитооптические вращатели плоскости поляризации на эффекте Фарадея, которые не требуют постоянного подвода энергии, а используют энергию только для реализации процессов переключения между двумя стабильными состояниями. Бистабильность основывается на магнитном гистерезисе, т.е. на способности определенных магнитных материалов после подмагничивания до состояния насыщения оставаться в намагниченном состоянии. Магнитооптические материалы, применяемые в этих устройствах, состоят из смеси граната железа. Эти материалы обладают непрямоугольной характеристикой гистерезиса и поэтому в отсутствие внешнего поля остаются не намагниченными.

Чтобы обеспечить бистабильность, магнитооптический материал помещался в поле электромагнита с сердечником из полутвердого магнитного материала (см. М.Shirasaki et al: Bistabile Magnetooptical 2×2 Switch for Single-Mode Fibers, Appl. Оpt. 23, 3271, 1982). Сердечник намагничивался до насыщения электрическим импульсом тока определенной полярности, протекающим через витки. После окончания импульса как сердечник, так и магнитооптический (МО) материал сохраняли намагниченность, и обнаруживался поворот плоскости поляризации света, проходящего через МО материал. Изменение полярности тока вызывает изменение направления вращения плоскости поляризации. Оба состояния стабильны, и система сохраняет эти состояния без дополнительного потребления энергии.

Для того чтобы после изменения на противоположное направления магнитного поля, вызывающего нерегулярное изменение положения плоскости поляризации выходящего света, исключить смещение доменов во вращателе плоскости поляризации, использовалось дополнительное магнитное поле (см. патенты США 4609257 и 5812304). Это поле вырабатывается магнитом и поддерживает вращатель плоскости поляризации в однодоменном состоянии. Магнитное поле электромагнита воздействует, таким образом, только на поворот направления намагниченности и не влияет на доменную структуру.

Недостаток этого решения заключается в медленном переключении направления намагниченности и особенно переключения направления вращения плоскости поляризации. В примере 2, приведенном в ЕР 0381117, время переключения составляло примерно 500 мс. В упомянутой выше статье (Appl. Opt. 21, 4229 (1982)) время переключения составляло приблизительно 10 мкс. Это относительно большое время переключения связано с большим значением индуктивности катушки электромагнита, составляющей приблизительно 7 мГ. Если применяются постоянные магниты и другие конфигурации, например, согласно патенту США 5812304, то поле электромагнита должно иметь очень высокое значение, так как для поворота направления намагниченности должно достигаться поле насыщения, вырабатываемое постоянным магнитом. Это приводит с необходимостью к очень высоким значениям времени переключения, как в вышеупомянутом примере - 10 мкс. Еще один недостаток этого известного переключающего элемента состоит в его габаритах, которые определяются размерами сердечника электромагнита. Кроме того, невозможен мультистабильный, т.е. с множеством стабильных состояний, режим работы вращателя плоскости поляризации.

Задачей настоящего изобретения является устранение упомянутых недостатков, свойственных известньм магнитооптическим переключающим элементам и, в частности, уменьшение времени переключения, требуемой энергии переключения и общих габаритов переключающих элементов, а также предпочтительным образом обеспечение возможности реализации мультистабильного режима работы с несколькими состояниями переключения.

Указанная задача согласно заявленному изобретению решается в магнитооптическом переключающем элементе вышеупомянутого типа тем, что вращатель плоскости поляризации в каждом из своих стабильных без приложенного внешнего магнитного поля состояний имеет магнитные домены обеих ориентаций, границы которых для переключения в другое стабильное состояние путем приложения внешнего магнитного поля перемещаются без формирования дополнительных доменов. Получаемый таким образом переключающий элемент может простым способом устанавливаться в различные стабильные состояния, в которых он может оставаться неограниченно долго без потребления энергии. Переход между этими стабильными состояниями переключения осуществляется за интервалы времени в наносекундном диапазоне, причем имеют место лишь незначительные потери в инфракрасном диапазоне, и могут в целом выдерживаться очень малые размеры.

Известны магнитооптические материалы с прямоугольной петлей гистерезиса, которые сохраняют свою намагниченность в отсутствие внешнего магнитного поля. Примерами этой группы материалов являются ортоферриты. Ортоферриты представляют собой слабые ферромагнетики, которые характеризуются незначительной результирующей намагниченностью и очень высокой одноосной магнитной анизотропией. Ортоферриты являются оптическим двухосными кристаллами. Большие углы поворота плоскости поляризации на эффекте Фарадея могут быть реализованы только в отсутствие кристаллического двулучевого преломления, т.е. если свет распространяется вдоль оптических осей кристалла. В этом случае возникают высокие значения коэффициента мощности FM, который представляет собой отношение поворота плоскости поляризации к поглощению. В видимом диапазоне и в части ближнего инфракрасного диапазона (включая длину волны 1,55 мкм, важную для применений, связанных с оптической передачей данных) ортоферриты обладают наилучшими значениями FM из всех магнитооптических кристаллов. Важное преимущество ортоферритов, в сравнении с другими магнитными материалами, заключается в чрезвычайно высокой скорости движения границ доменов порядка 20 км/с.

Высокая коэрцитивная сила ортоферритов является важным преимуществом в режиме оптической развязки. В динамических применениях, связанных с оптическими переключателями, затворами, модуляторами света с разрешением местоположения, оптическими аттенюаторами и т.д., высокая коэрцитивная сила, однако, является недостатком, так как она требует высоких значений напряженности поля. Высокие значения коэрцитивной силы возникают вследствие необходимости противоположно одинаковым образом намагниченных доменов. При намагничивании до насыщения достигаются соответствующие стабильные состояния вращателя плоскости поляризации, причем имеется один единственный домен, и отсутствуют домены противоположной ориентации. Чтобы обеспечить поворот противоположно направленных доменов, требуются высокие значения магнитных полей, кроме того, существуют только два стабильных состояния (согласно двум направлениям намагниченности насыщения), которые после отключения внешнего магнитного поля не изменяются.

Способ работы вращателя плоскости поляризации в соответствии с изобретением усовершенствуется тем, что в стабильных состояниях вращателя плоскости поляризации, не изменяющихся после отключения внешнего магнитного поля, уже имеются домены обеих ориентаций (по меньшей мере два домена с различной ориентацией). Существование обоих направлений ориентации доменов решает проблему их формирования и приводит к меньшим требуемым внешним магнитным полям или к снижению времени переключения. Чтобы достичь этого результата, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения во вращатель плоскости поляризации вводятся неоднородности или отклонения кристаллической решетки.

Подобные неоднородности уже применялись с другой целью при разработках магнитооптических элементов памяти. В работах Те-Но Wu et al, Magnetic domain pinning in patterned magneto-optical material. J.Appl.Phys. 85, 5980-5982 (1999); S.Gadetsky, J.K.Erwin, M.Mansuripur, T.Suzuki, Magneto-optical recording on patterned substrates, J.Appl.Phys. 79, 5687 (1996) описано структурирование подложек, на которых наносилась пленка из магнитооптического материала. Края полученной в результате структуры использовались в качестве ограничения доменов. Согласно RU 2029978 С1 применялись неоднородности в форме углублений с плоским дном в магнитооптическом пленочном материале для получения однодоменных областей. В обоих случаях формирование отдельных доменов в определенных областях обеспечивалось тем, что варьировалась толщина материала подложки, на который наносилась магнитооптическая пленка, или толщина самой магнитооптической пленки. Подобное невозможно при использовании кристаллических твердых тел, так как практически невозможно изготовить в кристалле углубления с размерами порядка долей миллиметра с плоским дном с оптическим качеством. Кроме того, во всех названных случаях для переключения ориентации доменов в первую очередь необходимо формирование противоположно ориентированных доменов, так что вышеуказанные недостатки требуемых относительно сильных магнитных полей и в данном случае сохраняются.

В документе DE 2839216 A1 описан магнитооптический модулятор, в котором для ввода переключения не требуется формирование доменов противоположно ориентированной ориентации. Магнитно одноосная магнитооптическая пленка делится

на области типа островков, которые магнитно отделены один от другого. Каждый островок содержит множество доменов с различными ориентациями. Вследствие отсутствия магнитного взаимодействия между островками каждый из них может отдельно намагничиваться посредством маленькой катушки, которая воздействует непосредственно на соответствующий островок. Так как в отсутствие внешнего магнитного поля отдельные островки не намагничены, имеет место процесс намагничивания, состоящий в перемещении границ доменов. При заданном упорядочении это означает, разумеется, отсутствие собственно стабильных состояний, в которых вращатель плоскости поляризации остается без внешнего магнитного поля, когда внешнее поле отключается, протяженности противоположно намагниченных доменов становятся равными друг другу, за счет чего поворот плоскости поляризации в целом для данного островка равен нулю.

В соответствии с заявленным изобретением, в противоположность описанному выше, основная задача упомянутых неоднородностей состоит в том, чтобы границы существующих доменов зафиксировать в предварительно определенных местах, при этом при переключении должны перемещаться только границы существующих доменов, и не требуется дополнительное начальное формирование доменов с соответствующим противоположным знаком. Неоднородности, согласно заявленному изобретению, нужны поэтому только в тех местах, где границы доменов после отключения внешнего магнитного поля должны сохраняться (соответственно желательным стабильным состояниям вращателя плоскости поляризации), а не во всей области, которая занята доменами, как требуется в решениях, известных из предшествующего уровня техники.

Неоднородности состоят, например, из узких рисок на поверхности кристалла. Риски представляют новые локальные минимумы магнитной энергии и укрепляют границы доменов. Тем самым доменная структура при отключении внешнего магнитного поля сохраняется в заданном состоянии. В зависимости от глубины рисок регулируется коэрцитивная сила, т.е. требуемое магнитное поле для удаления доменов из рисок, заданной доменной структуры. Если на образец наносят различные наборы рисок или вообще отклонений кристаллической решетки, то можно получить различные точки фиксации доменных границ и, следовательно, различные стабильные состояния вращателя плоскости поляризации или переключающего элемента.

Другие признаки и преимущества изобретения поясняются со ссылками на чертежи. На фиг.1 представлен мультистабильный переключающий элемент согласно предложенному изобретению; на фиг.2 представлен мультистабильный вращатель плоскости поляризации с постоянным магнитом для применения в переключающем элементе согласно изобретению. На фиг.3 показан мультистабильный переключающий элемент согласно предложенному изобретению в качестве оптического переключателя, и на фиг.4 показан переключающий элемент, соответствующий изобретению, для применения в качестве оптического затвора.

На фиг.1 схематично показан, в качестве примера выполнения изобретения, вращатель плоскости поляризации с кристаллической пластинкой 1 ортоферрита с тремя наборами 2, 3, 4 поверхностных рисок 10 в качестве отклонения кристаллической решетки. Кристаллическая пластинка 1 вырезана перпендикулярно оптической оси. Стрелка а показывает направление кристаллографической оси а. Один из наборов 2 коррелирован с состоянием равновесия доменов. Расстояния между рисками 10 равны по величине и соответствуют равновесной ширине доменов в пластинке. Другой набор 3 соответствует состоянию параллельной (положительной) намагниченности пластинки. Этот набор также состоит из рисок 10 на различных расстояниях с обеих сторон от рисок 10 набора 2. Для изменения доменной структуры прикладывается импульсное внешнее магнитное поле. При приложении импульса увеличиваются ориентированные в направлении приложенного магнитного поля домены за счет противоположно ориентированных. Если амплитуда и длительность импульса достаточно велики, границы доменов достигают рисок 10 набора 3, которые фиксируют границы доменов: после окончания импульса они остаются в указанных положениях, и вращатель находится в одном стабильном состоянии. Чтобы вернуться в прежнее состояние, нужно приложить импульс магнитного поля в противоположном направлении. Аналогично набору 3 может быть сформирован противоположный набор 4. При этом устанавливается другое стабильное состояние. Таким способом можно нанести различные наборы рисок 10 на разных расстояниях от набора 2 и тем самым определить большое количество стабильных состояний переключателя.

Амплитуда и длительность импульса магнитного поля выбираются в зависимости от расстояния между рисками 10. Если амплитуда слишком мала или длительность слишком коротка, то границы доменов не могут достигнуть ближайшего набора рисок и они перемещаются по окончании импульса в свое исходное положение. Если амплитуда слишком высока или длительность слишком велика, то границы доменов перемещаются дальше, чем необходимо, и по окончании импульса возвращаются назад к рискам.

В другом варианте осуществления по фиг.2 риски, нанесенные для фиксации доменов, комбинируются с неоднородным магнитным полем. Это поле вырабатывается постоянным магнитным полем (5) и используется для фиксации доменной структуры. Таким способом расширяются возможности выполнения и динамические свойства вращателей плоскости поляризации. Скорость перемещения границ доменов увеличивается с увеличением магнитного поля (в широкой полосе существует пропорциональность между этими значениями). Чем короче должно быть время переключения, тем больше должен быть импульс магнитного поля. Слишком высокие значения магнитного поля могут, однако, вызвать необратимые смещения доменов, например, образование новых доменов. Приложение магнитного поля, формирующего градиент поля, стабилизирует границы доменов и ограничивает их подвижность. Градиентное поле вырабатывается двумя парами малых постоянных магнитов. Выработанное каждой парой магнитное поле имеет противоположно направленную полярность, и вращатель плоскости поляризации подразделяется на два домена. В отсутствие других магнитных полей граница доменов находится в положении, где градиентное поле имеет переход через нуль (нулевая силовая линия): одно стабильное состояние (соответствующее набору 2 на фиг.1). По обе стороны от этой линии наносятся риски. Они представляют прямую линию, параллельную нулевой силовой линии. Под воздействием импульса магнитного поля граница домена достигает определенной риски. Если фиксация достаточно велика, то граница домена по окончании импульса “зависает” на этой риске. Таким образом, возникают стабильные состояния соответственно наборам рисок.

В пределах большой ширины полосы внешнего магнитного поля абсолютное значение поворота плоскости поляризации в доменах не зависит от величины магнитного поля. Поэтому на функционирование вращателя плоскости поляризации не оказывает влияния неоднородность внешних магнитных полей.

Изменения доменной структуры между стабильными состояниями имеют регулярный характер. Они состоят в смещении границ доменов и не вызывают нежелательных колебаний света.

Самые малые значения времени переключения вращателей плоскости поляризации ограничены главным образом минимальной длительностью отдельного импульса магнитного поля; они находятся в наносекундном диапазоне.

На фиг.3 показана схема переключателя, которая основывается на мультистабильном оптическом вращателе плоскости поляризации. Толщина пластинки 1 ортоферрита выбирается таким образом, чтобы плоскость поляризации света, прошедшего через поляризатор 7, поворачивалась на 45°. Знак поворота зависит от домена, через который проходит свет. Если свет проходит через домены, намагничивание которых антипараллельно направлению пропускания света, то вращение происходит по часовой стрелке. После прохождения через поляризационный делитель (6) свет распространяется в горизонтальном направлении. Если свет проходит через противоположно намагниченные домены, то плоскость поляризации поворачивается на -45°, и после прохождения через поляризационный делитель (6) свет распространяется в вертикальном направлении.

На фиг.4 представлена схема оптического затвора, основанного на мультистабильном вращателе плоскости поляризации. В случае (а) поляризованный луч света подавляется анализатором (8). В случае (b) часть луча света проходит через анализатор (8), а именно, та его часть, которая проходит параллельно направлению прохождения света через намагниченные домены. В случае (с) весь световой луч пропускается анализатором (8).

Как отмечалось выше, вместо поверхностных рисок в кристалле вращателя плоскости поляризации для стабилизации доменов могут быть предусмотрены и другие отклонения кристаллической решетки, например, пустоты внутри кристалла, включения примесей и т.п., или изменения концентрации примесей по диапазону. Вместо линейно изменяющихся по кристаллу подобных отклонений кристаллической решетки могут использоваться и другие формы или варианты выполнения подобных отклонений кристаллической решетки; возможны также ограниченные диапазоны, прерывистые линии и т.д., причем необходимо только гарантировать, что такие диапазоны должны быть выбраны так, чтобы границы доменов после отключения магнитного поля фиксировались на них. Поскольку в обеспечиваемом таким образом стабильном состоянии магнитооптического переключающего элемента магнитные домены обоих знаков сохраняются в кристалле вращателя, то тем самым обеспечивается достижение вышеуказанных преимуществ изобретения.

Магнитооптический переключающий элемент с вращателем плоскости поляризации на эффекте Фарадея выполнен на магнитном одноосном кристалле. Вращатель в каждом из своих стабильных состояний без приложенного внешнего магнитного поля имеет домены обеих ориентаций, причем границы доменов для переключения в другое стабильное состояние имеют возможность перемещения при приложении внешнего магнитного поля без формирования дополнительных доменов. Технический результат - уменьшение времени переключения, требуемой энергии переключения и габаритов переключающих элементов, обеспечение мультистабильного режима работы с несколькими состояниями переключения. 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Магнитооптический переключающий элемент с вращателем плоскости поляризации на эффекте Фарадея, выполненным на магнитном одноосном кристалле, отличающийся тем, что вращатель в каждом из своих стабильных состояний без приложенного внешнего магнитного поля имеет домены обоих ориентаций, причем границы доменов для переключения в другое стабильное состояние имеют возможность перемещения при приложении внешнего магнитного поля без формирования дополнительных доменов.2. Переключающий элемент по п.1, отличающийся тем, что для стабилизации доменов в отсутствие внешнего магнитного поля предусмотрены отклонения кристаллической решетки, чтобы фиксировать на них границы доменов.3. Переключающий элемент по п.2, отличающийся тем, что отклонения кристаллической решетки образованы на кристалле путем нанесения на поверхность кристалла царапин, бороздок, канавок и т.п.4. Переключающий элемент по п.2, отличающийся тем, что отклонения кристаллической решетки выполнены образованными внутри кристалла пустотами, отверстиями, включениями примесей и т.п.5. Переключающий элемент по п.2, отличающийся тем, что отклонения кристаллической решетки образованы легированием по диапазону или изменениями легирования кристалла.6. Переключающий элемент по любому из пп.2-5, отличающийся тем, что по обе стороны от границ доменов на определенных расстояниях предусмотрено множество отклонений кристаллической решетки в соответствии с множеством стабильных положений переключения кристалла.7. Переключающий элемент по любому из пп.2-6, отличающийся тем, что кристалл представляет собой ортоферрит, срезанный, по существу, перпендикулярно оптической оси, причем оптическая ось упомянутого среза ортоферрита, по существу, параллельна направлению проходящего светового луча.8. Переключающий элемент по п.7, отличающийся тем, что отклонения кристаллической решетки проходят по кристаллу, по существу, линейно и по меньшей мере приблизительно перпендикулярно кристаллографической оси кристалла.9. Переключающий элемент по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что к кристаллу постоянно приложено магнитное градиентное поле с переходом через нуль в области кристалла, предпочтительно за счет использования по меньшей мере одной пары постоянных магнитов.10. Переключающий элемент по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что предназначен для использования в качестве мультистабильного оптического переключателя.11. Переключающий элемент по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что предназначен для использования в качестве оптического затвора.12. Переключающий элемент по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что предназначен для использования в качестве модулятора.13. Переключающий элемент по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что предназначен для использования в качестве элемента ослабления.