磁光开关元件及在多稳态开关、光闸、调制器、衰减器中的应用制造技术

在一种带有一个法拉第旋转器的磁光开关元件中，为了分别加快开关速度与减小需要的开关能量，该旋转器包括磁单轴晶体，它以在每个它的稳定状态下两种符号的磁畴为特征，通过它避免在转换过程开始时产生相反符号的磁畴的问题。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。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.AsamaNon-mechanicalOptical Switch for single-Mode Fibers，Appl.Opt.21，4229(1982)；M.Shirasaki，H.Takamatsu，与T.ObokataBistable Magnetooptic Switchfor multimode Optic Fiber，Appl.Opt.21，1943(1982)；M.shirasaki等Magnetooptical 2×2 Switch for single-mode fibers，Appl.Opt.23，3271(1984)；M.ShirasaKiFaraday Rotator Assembly，美国专利4609257(1986)；S.TakedaFaraday rotator device and opticai switchcontaining same，EP专利0381117(1991)；M.shirasakiFaraday ratatorwhich generates a uniform magnetic field in a magnetic optical element，美国专利5812304(1998)。这些专利技术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.ShirasakiFaraday RotatorAssembly，美国专利4609257(1986)与M.ShirasakiFaraday rotator whichgenerates a 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。本专利技术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。根据本专利技术用一种序言中涉及类型的磁光开关元件实现此目标，在此磁光开关元件中，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。根据本专利技术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)，它们在外本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带有来源于磁单轴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可移动所述磁畴的壁以转换为另一稳定状态而不产生附加的磁畴。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：约里S迪多斯亚，
申请(专利权)人：约里S迪多斯亚，
类型：发明
国别省市：AT[奥地利]