專利名稱：：帶有法拉第旋轉(zhuǎn)器的磁光開關(guān)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種帶有由磁單軸晶體構(gòu)成的例如用于光開關(guān)系統(tǒng)、光通信與數(shù)據(jù)處理中用來改變光閘、光衰減器或能改變給定光束部分的強(qiáng)度的空間光調(diào)制系統(tǒng)中的光束路徑的法拉第旋轉(zhuǎn)器的磁光開關(guān)元件。磁光開關(guān)、光閘以及諸如此類具有可以較簡單的裝置得到穩(wěn)定的開關(guān)狀態(tài)而無永久的能量消耗的優(yōu)點(diǎn)。這種機(jī)械開關(guān)元件的缺點(diǎn)是它們的較低的開關(guān)速度，這自然地排除了它們在序言中涉及類型的許多領(lǐng)域中的應(yīng)用。例如，通過已知的電光開關(guān)元件(參看例如US-PS5712935)或聲光開關(guān)元件(參看例如US-PS5883734)可得到高的開關(guān)速度。但這些要求永久提供能源以便保持穩(wěn)定的開關(guān)狀態(tài)。例外的情況是例如帶有同樣穩(wěn)定狀態(tài)而不需要永久能源為特征的非晶體材料的電光效應(yīng)為基礎(chǔ)的開關(guān)元件(參看例如EP0500402)，然而，它們的開關(guān)時間相對較長，因為穩(wěn)定狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換時間在ms范圍內(nèi)。序言中涉及的已知的磁光開關(guān)元件提供一種折衷的解決辦法。同機(jī)械元件相比它們沒有任何活動部分，因而對振動或沖擊有相應(yīng)低的靈敏性，且有較高的開關(guān)速度，雖然伴隨一個與波長有關(guān)的操作。同高速電光與聲光開關(guān)元件相比它們具有不需要外部能源的靜態(tài)，雖然伴隨有稍為較長的開關(guān)時間。在此后面的有關(guān)描述中，可參考例如下列著作與出版物M.Shirasaki，H.Nakajima，T.Obokata，與K.AsamaNon-mechanicalOpticalSwitchforsingle-ModeFibers，Appl.Opt.21，4229(1982)；M.Shirasaki，H.Takamatsu，與T.ObokataBistableMagnetoopticSwitchformultimodeOpticFiber，Appl.Opt.21，1943(1982)；M.shirasaki等Magnetooptical2×2Switchforsingle-modefibers，Appl.Opt.23，3271(1984)；M.ShirasaKiFaradayRotatorAssembly，美國專利4609257(1986)；S.TakedaFaradayrotatordeviceandopticaiswitchcontainingsame，EP專利0381117(1991)；M.shirasakiFaradayratatorwhichgeneratesauniformmagneticfieldinamagneticopticalelement，美國專利5812304(1998)。這些發(fā)明以不需要任何永久能源而只需要用于穩(wěn)定狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的能量的雙穩(wěn)態(tài)磁光法拉第旋轉(zhuǎn)器為特征。在此情況下，雙穩(wěn)態(tài)以磁滯即以某些磁性材料在磁化至飽和之后保持在磁化狀態(tài)的能力為基礎(chǔ)。在本研究中使用的磁光(MO)材料表現(xiàn)出鐵榴石成分。這些材料沒有矩形波磁滯回線因而在沒有外部磁場的情況下保持未磁化狀態(tài)。為建立雙穩(wěn)態(tài)，把MO材料放入一個半硬磁性材料的芯中的電磁場內(nèi)(M.Shirasaki等Magnetooptical2×2switchforsingle-modefibers，Appl.Opt.23，3271(1984))。此芯被流過帶有特定極性的繞組的電流脈沖磁化，直至飽和為止。在脈沖結(jié)束后，芯與MO材料都保持磁化并引起通過MO材料的光的偏振平面旋轉(zhuǎn)。電流極性的改變具有改變偏振平面旋轉(zhuǎn)方向的作用。兩種狀態(tài)都穩(wěn)定因而系統(tǒng)保持不需要另外的能量消耗。為防止在引起射出光偏振的不規(guī)則改變的磁場反轉(zhuǎn)期間旋轉(zhuǎn)器內(nèi)的磁疇壁位移，引入一個附加的磁場(M.ShirasakiFaradayRotatorAssembly，美國專利4609257(1986)與M.ShirasakiFaradayrotatorwhichgeneratesauniformmagneticfieldinamagneticopticalelement，美國專利5812304(1998))。此磁場由一個磁鐵產(chǎn)生并保持旋轉(zhuǎn)器處于單磁疇狀態(tài)。因而電磁鐵的磁場只產(chǎn)生磁化旋轉(zhuǎn)而不影響磁疇結(jié)構(gòu)。就這點(diǎn)來說一個缺點(diǎn)是磁化方向轉(zhuǎn)換幔，尤其是偏振旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)換慢。根據(jù)EP0381117(1991)的“Faradayrotatordeviceandopticalswitchcontainingthesame”，在例2中開關(guān)時間為約500ms。在M.Shirasaki等的論文“Non-mechanicalOpticalSwitchforSingle-ModeFibers，Appl.Opt.21，4229(1982)中”，開關(guān)時間為約10μs。此較長的開關(guān)時間與電磁鐵線圈的高感應(yīng)率有關(guān)；此值為約7mH。如果使用永久磁鐵與其它配置，例如按照美國專利5812304，電磁鐵的磁場必須有高得多的值，因為為了磁化旋轉(zhuǎn)必須得到用于永久磁鐵產(chǎn)生的飽和磁場。這必然導(dǎo)致比上面提到的10μs長得多的開關(guān)時間。此已知的開關(guān)元件的另一個缺點(diǎn)是它的由電磁鐵芯尺寸所決定的尺寸；此外，旋轉(zhuǎn)器不可能多穩(wěn)態(tài)工作。本發(fā)明的目標(biāo)是避免在序言中涉及類型的所述已知的磁光開關(guān)元件所提到的缺點(diǎn)，尤其是縮短開關(guān)時間，減小需要的開關(guān)能量，與減小開關(guān)元件的總尺寸，以及使得有可能以有利的方式在若干開關(guān)狀態(tài)下可多穩(wěn)態(tài)工作。根據(jù)本發(fā)明用一種序言中涉及類型的磁光開關(guān)元件實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，在此磁光開關(guān)元件中，旋轉(zhuǎn)器在沒有施加的外部磁場的它的每個穩(wěn)定狀態(tài)下，以雙取向的磁疇為特征，可通過施加一個外部磁場移動磁疇壁使變換為另一穩(wěn)態(tài)而不產(chǎn)生附加的磁疇。這樣得到的開關(guān)元件可以簡單的方式而具有不同的穩(wěn)定狀態(tài)，它可在沒有時間限制與沒有能量消耗的情況下保持處于這些不同的穩(wěn)定狀態(tài)。這些穩(wěn)定的開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換發(fā)生在ns范圍內(nèi)，因而在紅外線范圍內(nèi)只產(chǎn)生低的光損耗，需要很小的轉(zhuǎn)換能量，并可保持很小的總尺寸。已知磁光材料帶有矩形波磁滯回線；即是說，這些材料在沒有外部磁場下保持磁化狀態(tài)。例如，正鐵氧體是此材料組的代表。正鐵氧體是弱鐵磁體，其特征為低的最終磁化強(qiáng)度與很高的單軸磁各向異性。正鐵氧體是光學(xué)雙軸晶體。大角度的法拉第旋轉(zhuǎn)只能在沒有結(jié)晶雙折射條件下得到；即是說，當(dāng)光沿晶體的光軸傳播時。在此情況下，出現(xiàn)高的磁光品質(zhì)因數(shù)(FM)，即法拉第旋轉(zhuǎn)對吸收的比率。在可見光范圍內(nèi)與近紅外范圍內(nèi)(包括波長為1.55μm，對光電信重要的光波)，正鐵氧體具有所有磁光晶體中的最佳FM值。正鐵氧體同其它磁性材料相比的一個重要優(yōu)點(diǎn)是達(dá)20km/s的極高疇壁速度。正鐵氧體的高矯頑力是光隔離方式下的一個重要優(yōu)點(diǎn)。然而，在光開關(guān)、光閘、空間光調(diào)制器、光衰減器等的開發(fā)中的動態(tài)應(yīng)用中，高矯頑力是一個缺點(diǎn)，因為它需要很高的場強(qiáng)。高矯頑力由于需要沿相反方向磁化磁疇引起。當(dāng)磁化至飽和時，得到旋轉(zhuǎn)器的穩(wěn)定狀態(tài)，從而只存在單一的磁疇，而沒有帶有相反取向的磁疇。為了旋轉(zhuǎn)至相反磁化的磁疇，需要高的磁場，且除此以外，只存在兩種穩(wěn)定狀態(tài)(按照兩種飽和磁化方向)，在外部磁場關(guān)斷之后它們不改變。根據(jù)本發(fā)明改進(jìn)旋轉(zhuǎn)器的運(yùn)行方式，達(dá)到在旋轉(zhuǎn)器的穩(wěn)定狀態(tài)中已經(jīng)存在兩種取向的磁疇(即至少兩個帶有不同取向的磁疇)，它們在外部磁場斷開之后不改變。兩種磁疇方向的存在解決了它們的產(chǎn)生問題并導(dǎo)致需要較低的外部磁場，及導(dǎo)致縮短開關(guān)時間。為實(shí)現(xiàn)此目的，根據(jù)本發(fā)明的有利的實(shí)施例，把不均勻性(inhomogeneity)與晶格偏離(latticedeviation)制作到旋轉(zhuǎn)器中。這種不均勻性已用于磁光存貯器開發(fā)的其它方面。在Te-HoWu等的Magneticdomainpinninginpatternedmagneto-opticalmaterial，J.Appl.Phys.85，5980-5982(1999)；S.Gadetsky，J.K.Erwin，M.Mansuripur與T.Suzuki的Magneto-opticalrecordingonpatternedsubstrates，J.Appl.Phys.79，5687(1996)的研究中，構(gòu)成了其上面施加了一層磁光材料薄膜的襯底。該合成結(jié)構(gòu)的邊緣被用作磁疇的界限。根據(jù)RU2029978C1，應(yīng)用帶有平底的鋸齒形的磁光膜材料的不均勻性來保持各磁疇區(qū)域。在兩種情況下，各磁疇被制備在特定區(qū)域內(nèi)，其上面施加磁光膜的載體材料的厚度或磁光膜本身的厚度是變化的。這種程序在塊狀固體情況下是不可能的，因為在晶體上以光學(xué)質(zhì)量產(chǎn)生具有幾分之毫米尺寸與帶有平底的刻痕實(shí)際上是不可能的。此外，在磁疇取向上進(jìn)行轉(zhuǎn)換的所有情況下，要求的第一件事同樣是產(chǎn)生具有相反取向的磁疇，因此前面描述的需要較強(qiáng)磁場的缺點(diǎn)在此情況下將仍然適合。在DE2839216A1中，描述一種不要求產(chǎn)生相反取向的磁疇以便能起動轉(zhuǎn)換的磁光調(diào)制器。把一層磁性單軸磁光膜劃分為彼此磁性分離的島狀區(qū)域。每個島包括若干個具有不同取向的磁疇。由于各島之間沒有磁相互作用，結(jié)果，它們的每個可容易地被對給定各島直接起作用的小線圈的磁場磁化。由于在沒有外部磁場的情況下各島被退磁，磁化處理與磁疇壁移動有關(guān)。然而，在給定的布置下，準(zhǔn)確地說這意味著沒有穩(wěn)定狀態(tài)，其中旋轉(zhuǎn)器保持沒有外部磁場；如果外部磁場關(guān)斷，相反磁化的磁疇的寬度變?yōu)楸舜讼嗟龋虼诉@些島的總法拉第旋轉(zhuǎn)為零。根據(jù)本發(fā)明，相反，涉及的不均勻性的主要任務(wù)被看作是在預(yù)先確定的位置上固定現(xiàn)存磁疇的疇壁。因而，當(dāng)轉(zhuǎn)換時，只需要移動現(xiàn)存的疇壁，而不必附加初始產(chǎn)生帶有相反符號的磁疇。因此根據(jù)本發(fā)明的不均勻性只要求在當(dāng)外部磁場斷開后磁疇壁預(yù)計繼續(xù)保持的各線上(相應(yīng)于旋轉(zhuǎn)器的各穩(wěn)定狀態(tài))而不是現(xiàn)存磁疇覆蓋的全部范圍，如同現(xiàn)有技術(shù)早先已描述過的一樣。不均勻性由例如在晶體表面上的窄的劃痕組成。劃痕代表磁能的新的本地最小值并保持磁疇壁。結(jié)果，當(dāng)外部磁場關(guān)斷時磁疇結(jié)構(gòu)保持在給定的狀態(tài)。作為劃痕深度的函數(shù)，調(diào)節(jié)給定磁疇結(jié)構(gòu)的矯頑力，即從劃痕移走磁疇所需要的磁場。如果樣品中引入不同的劃痕組或總體晶格偏離，將產(chǎn)生磁疇壁的不同固定點(diǎn)，從而相應(yīng)地產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)器或開關(guān)元件的不同穩(wěn)定狀態(tài)。本發(fā)明另外的特征與優(yōu)點(diǎn)說明在下文中，尤其是根據(jù)各局部示意圖。圖1表示一個根據(jù)本發(fā)明的多穩(wěn)態(tài)開關(guān)元件，圖2表示一個用于根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)元件的帶有永久磁鐵的多穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)器，圖3表示一個作為光開關(guān)的根據(jù)本發(fā)明的多穩(wěn)態(tài)開關(guān)元件，而圖4表示一個用作光閘的根據(jù)本發(fā)明的相應(yīng)開關(guān)元件。作為本發(fā)明的一個實(shí)施例的圖示例子，圖1表示一個帶有包括組2、組3、組4三組表面劃痕10作為晶格偏離的正鐵氧體薄晶片1的旋轉(zhuǎn)器。薄晶片1垂直于光軸切割；箭頭a表示結(jié)晶的a軸的方向。一個組2與磁疇的平衡狀態(tài)有關(guān)。劃痕10之間的距離相等且相當(dāng)于薄晶片內(nèi)磁疇的平衡寬度。另一個組3相當(dāng)于薄晶片的部分(正)磁化狀態(tài)。因此此組由組2的劃痕10的交替兩邊上以不同間隔的劃痕10組成。為改變磁疇結(jié)構(gòu)，施加一個脈沖化的外部磁場。在脈沖期間，沿施加的磁場方向取向的磁疇以犧牲沿相反方向取向的磁疇為代價而擴(kuò)大。如果脈沖的幅值與寬度足夠大，磁疇壁到達(dá)組3的劃痕10，這些劃痕固定磁疇壁；在脈沖結(jié)束后，它們保持在這些位置上，而旋轉(zhuǎn)器處于一個穩(wěn)定狀態(tài)。為了回復(fù)初始狀態(tài)，必須施加一個相反方向的磁脈沖。從組3類推，可建立一個相反的組4。從而施加另一個穩(wěn)定狀態(tài)。以此方式，可以與組2不同的距離施加不同組別的劃痕10，從而可規(guī)定大量開關(guān)的穩(wěn)定狀態(tài)。作為劃痕10之間距離的函數(shù)選擇磁場脈沖的幅值與持續(xù)時間。如果幅值過小或持續(xù)時間過短，磁疇壁不能到達(dá)近旁的劃痕組，在脈沖結(jié)束后，它們移回它們的初始位置。如果幅值過大或持續(xù)時間過長，磁疇壁的移動超過必需值，在脈沖結(jié)束后移回至劃痕位置。在按照圖2的本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，用于磁疇固定的劃痕與一個不均勻性磁場相結(jié)合。此磁場由永久磁鐵5產(chǎn)生并用于固定磁疇結(jié)構(gòu)。以此方法，擴(kuò)展了該實(shí)施例與旋轉(zhuǎn)器的動態(tài)特性。磁疇壁的移動速度隨著磁場的增加而增加(在一個寬的速度范圍內(nèi)，這些數(shù)值之間產(chǎn)生比例關(guān)系)。想要開關(guān)時間越短，磁場脈沖必須越高。然而，過高的磁場會產(chǎn)生不可逆的磁疇位移，例如建立新的磁疇。施加一個梯度形狀磁場使磁疇壁穩(wěn)定并限制它們的移動。梯度磁場由兩對小的永久磁鐵產(chǎn)生。由每對永久磁鐵產(chǎn)生的磁場具有相反的極性，旋轉(zhuǎn)器被分為兩個磁疇。在沒有其它磁場的情況下，磁疇壁位于梯度場通過零(零場線)的地方開關(guān)的一個穩(wěn)定狀態(tài)(相應(yīng)于圖1中的組2)。劃痕施加在此線的兩邊。它們表現(xiàn)為平行于零場線的直線。在磁場脈沖的作用下，磁疇壁到達(dá)一條特定的劃痕。如果釘扎(pinning)足夠強(qiáng)，在脈沖結(jié)束后磁疇壁將保持在此劃痕處。這導(dǎo)致相應(yīng)于此劃痕組的穩(wěn)定狀態(tài)。在一個寬的外部磁場范圍內(nèi)，磁疇內(nèi)的偏振平面旋轉(zhuǎn)的絕對值與磁場的尺寸無關(guān)，因而旋轉(zhuǎn)器的功能不受外部磁場的不均勻性的妨礙。穩(wěn)定狀態(tài)之間磁疇結(jié)構(gòu)的改變屬于有規(guī)律的性質(zhì)。它們包括磁疇壁的位移且不引起任何不合乎需要的光波動。旋轉(zhuǎn)器的最短開關(guān)時間主要受單磁場脈沖的最短持續(xù)時間的限制；它們在ns范圍內(nèi)。圖3表示以一個多穩(wěn)態(tài)光旋轉(zhuǎn)器為基礎(chǔ)的開關(guān)的圖解。正鐵氧體薄晶片1的厚度以這樣的方法選擇使得初始通過偏光器7的光的偏振平面旋轉(zhuǎn)45°。旋轉(zhuǎn)的符號取決于光通過的磁疇。如果光通過磁化強(qiáng)度逆平行于光傳播方向的磁疇，則旋轉(zhuǎn)沿順時針方向發(fā)生。在通過一個偏光分離元件6之后，光沿水平方向傳播。如果光通過相反磁化的磁疇，則偏振平面旋轉(zhuǎn)-45°，且在通過一個偏光分離元件6之后，光沿垂直方向傳播。圖4表示一個以多穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)器為基礎(chǔ)的光閘的圖。在情況a)下，偏振的光束被分析鏡8熄滅。在情況b)下，一部分光束，即精確地說由平行于光傳播方向的磁化磁疇通過的那部分光束，通過分析鏡8。在情況c)下，容許全部光束通過分析鏡8。如序言中已指出，代替用于穩(wěn)定磁疇的旋轉(zhuǎn)器晶體內(nèi)的表面劃痕，也可提供其它的晶格偏離，例如在晶體內(nèi)部提供的空腔、外來夾雜物或諸如此類，或甚至在特定區(qū)域內(nèi)改變摻雜濃度。代替遍及晶體以線性方式擴(kuò)展的這種晶格偏離，也可以這種晶格偏離的其它形式或配置工作；也可是限定的區(qū)域、間斷線等，從而只需保證這些區(qū)域適于在外部磁場斷開后固定磁疇壁。只要兩種符號的磁疇保持在旋轉(zhuǎn)晶體內(nèi)，在這樣取得的磁光開關(guān)元件的穩(wěn)定狀態(tài)下，則另外提到的本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)也將全部保持。權(quán)利要求1.一種帶有來源于磁單軸晶體的法拉第旋轉(zhuǎn)器的磁光開關(guān)元件，其特征在于該旋轉(zhuǎn)器在沒有施加外部磁場時每個它的穩(wěn)定狀態(tài)下以兩種取向的磁疇為特征，通過施加一個外部磁場可移動所述磁疇的壁以轉(zhuǎn)換為另一穩(wěn)定狀態(tài)而不產(chǎn)生附加的磁疇。2.根據(jù)權(quán)利要求1的開關(guān)元件，其特征在于，在沒有外部磁力的情況下為穩(wěn)定磁疇提供晶體的晶格偏離，以便固定疇壁。3.根據(jù)權(quán)利要求2的開關(guān)元件，其特征在于晶格偏離由晶體上的表面劃痕、溝槽、切口或諸如此類形成。4.根據(jù)權(quán)利要求2的開關(guān)元件，其特征在于晶格偏離由晶體內(nèi)部的空腔、鉆孔、外來夾雜物以及諸如此類形成。5.根據(jù)權(quán)利要求2的開關(guān)元件，其特征在于晶格偏離通過逐個區(qū)域摻雜晶體或通過晶體的摻雜變化形成。6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中之任一項或多項的開關(guān)元件，其特征在于對應(yīng)于晶體的若干穩(wěn)定狀態(tài)，在磁疇壁的兩邊以給定的間隔提供若干晶格偏離。7.根據(jù)權(quán)利要求2至6中之任一項或多項的開關(guān)元件，其特征在于晶體基本垂直于光軸切割，并且晶體是正鐵氧體，它以基本平行于穿透光束的方向布置。8.根據(jù)權(quán)利要求7的開關(guān)元件，其特征在于晶格偏離基本上直線延伸并至少大致垂直于晶體的結(jié)晶a軸。9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中之任一項或多項的開關(guān)元件，其特征在于一個在晶體區(qū)域內(nèi)通過零的磁梯度場被永久地施加在晶體上，優(yōu)選通過至少一對永久磁鐵產(chǎn)生。10.應(yīng)用根據(jù)權(quán)利要求1至9中之任一項或多項的開關(guān)元件作為多穩(wěn)態(tài)的光開關(guān)、光閘、光調(diào)制器或衰減器。全文摘要在一種帶有一個法拉第旋轉(zhuǎn)器的磁光開關(guān)元件中，為了分別加快開關(guān)速度與減小需要的開關(guān)能量，該旋轉(zhuǎn)器包括磁單軸晶體，它以在每個它的穩(wěn)定狀態(tài)下兩種符號的磁疇為特征，通過它避免在轉(zhuǎn)換過程開始時產(chǎn)生相反符號的磁疇的問題。文檔編號G02F1/09GK1391660SQ00814201公開日2003年1月15日申請日期2000年9月3日優(yōu)先權(quán)日1999年9月15日發(fā)明者約里·S·迪多斯亞申請人:約里·S·迪多斯亞