專利名稱:用于改變光的極化狀態(tài)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種利用磁單軸晶體來改變光的極化狀態(tài)的方法,該磁單軸晶體首先具有特定的多疇結(jié)構(gòu),其中光穿過該晶體的預(yù)定區(qū)域,并且在該晶體上施加磁場強(qiáng)度為H1的磁場脈沖,在該磁場強(qiáng)度下,晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榭赡娴膯萎牋顟B(tài),以及涉及一種利用磁光轉(zhuǎn)子執(zhí)行這樣的方法的裝置,該磁光轉(zhuǎn)子由首先具有特定多疇結(jié)構(gòu)的磁單軸晶體構(gòu)成,以及至少一個用于產(chǎn)生磁場脈沖并對晶體施加磁場脈沖的裝置,包括可控的磁場脈沖源和用于該磁場源的控制電路。因此,本發(fā)明的內(nèi)容是用于改變光束的極性并因此改變這些光束中多數(shù)光束的方向、強(qiáng)度等的方法和裝置,如它們用于光通信系統(tǒng)、信息處理、顯示等的那樣。
背景技術(shù):
在很多光學(xué)開關(guān)類型中,目前,微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)使用最多。MEMS的一個重要的優(yōu)點就是其屬于所謂的“閉鎖(latching)系統(tǒng)”,也就是說,MEMS具有無功穩(wěn)定開關(guān)狀態(tài),并且僅需要能量用于開關(guān),而電光系統(tǒng)—具有相對更短的開關(guān)時間—至少在一個狀態(tài)下需要持續(xù)的能量供應(yīng)。但是,其開關(guān)時間相當(dāng)長,大約為1ms。
利用磁光系統(tǒng)就提供了將短的開關(guān)時間和很小的介入損耗與所謂的“閉鎖”功能(見上面)相結(jié)合的可能。在AT 408.700B中描述了一種多穩(wěn)態(tài)極化轉(zhuǎn)子(Polarisationsrotor)。該轉(zhuǎn)子中的穩(wěn)定狀態(tài)通過將疇壁(DW)保持在預(yù)定位置的正鐵氧體板的表面上的非均勻性來保證。這些穩(wěn)定狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換通過疇壁在這些位置之間的移位來實現(xiàn),并且不產(chǎn)生新的疇。該轉(zhuǎn)換所需要的時間大約是100ns,即,其比“閉鎖”類型的其他光學(xué)開關(guān)快幾千倍。但是,開關(guān)的孔徑明顯有限。
在AT411.852中公開了一種利用磁單軸晶體改變光的極化狀態(tài)的方法和裝置,其中晶體首先具有特定的多疇結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)在外部磁場的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)楫犎∠驅(qū)?yīng)于所施加的磁場方向的單疇狀態(tài)。其中,在晶體上施加具有一磁場強(qiáng)度的磁場脈沖,其中在該磁場強(qiáng)度下,晶體在脈沖結(jié)束后不保持在單疇狀態(tài),而是返回所定義的由所施加的磁場的方向所確定的多疇狀態(tài),優(yōu)選返回到具有3個疇的狀態(tài)?,F(xiàn)在,例如1.2mm高的釔-正鐵氧體的目前用于改變光的極化狀態(tài)的外疇的高度是300到350μm。但是,在很多領(lǐng)域、例如纖維光學(xué)應(yīng)用中,需要500至600μm范圍內(nèi)的更大的孔徑。其中,孔徑由這樣的區(qū)域來定義,即在該區(qū)域中,通過所施加的磁場脈沖可以變換磁化極性,并且因此該區(qū)域可用于影響穿過晶體的光。
但是,使用更高正鐵氧體晶體不導(dǎo)致疇尺寸的擴(kuò)大,而導(dǎo)致晶體中疇數(shù)目增加。對于1.2mm高的晶體,中疇已經(jīng)具有期望的孔徑。但到目前為止,由于下面的缺點還不能應(yīng)用。在施加極性交變的磁場脈沖以將晶體可逆地磁化為單疇狀態(tài)時,晶體中心區(qū)域的極性的變換在脈沖結(jié)束后才開始,并持續(xù)幾微秒。在施加與外疇極性相同的磁場脈沖時,中疇極性的變換雖然與脈沖的開始同時開始,但是磁化在其結(jié)束之后又緩慢地恢復(fù)到原始值。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是在擴(kuò)大可用孔徑以及實現(xiàn)盡可能小的開關(guān)和響應(yīng)時間方面改善開頭所述的方法和裝置。
為了解決該技術(shù)問題,方法的特征在于,在晶體轉(zhuǎn)變到可逆單疇狀態(tài)之后,在晶體上施加相同極性并具有磁場強(qiáng)度H2的保持磁場,該磁場強(qiáng)度H2小于磁場強(qiáng)度H1,并且保持可逆單疇狀態(tài)。因此,在強(qiáng)磁場脈沖的快速開關(guān)之后,可以防止中疇返回原始磁化,并且其能量利用明顯比其它電光系統(tǒng)中更少。因此,可以將晶體的區(qū)域用作在多疇狀態(tài)下對應(yīng)于與所施加的磁場脈沖反平行磁化的疇的孔徑,其中與所施加的磁場脈沖反平行磁化的疇具有期望約500μm的高度,必要時可以更大。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式,通過改變先前施加的磁場脈沖的磁場強(qiáng)度來設(shè)置保持磁場H2。在該變形中,可以簡單地改變磁場強(qiáng)度。還可以非常簡單地保持裝置的構(gòu)造。
本發(fā)明的一個可選實施方式的特征在于,對晶體持續(xù)施加磁場強(qiáng)度為H2并且極性與強(qiáng)度為H1的任何磁場脈沖相同的保持磁場。其中,在裝置的構(gòu)造費用僅稍微增加一些的情況下,可以簡單地保持用于產(chǎn)生磁場脈沖的電路,因為原理上只必須接通和斷開。
有利地,保持磁場的磁場強(qiáng)度H2最大為達(dá)到晶體的可逆單疇狀態(tài)所需要的磁場脈沖的磁場強(qiáng)度H1的1/3,優(yōu)選最大為該磁場強(qiáng)度H1的10%。這個比例直接影響了相對于電光方法和裝置的能量節(jié)省。
對于本發(fā)明的方法可以實現(xiàn)的開關(guān)時間的進(jìn)一步改善可以通過以下方式實現(xiàn),即在已經(jīng)可逆地轉(zhuǎn)換極性的晶體的至少一個區(qū)域上施加極性與可逆地轉(zhuǎn)換極性的磁場脈沖相反的磁場,直到在該區(qū)域中重新建立該晶體的原始極化。因此,加速了晶體在導(dǎo)致晶體中單疇狀態(tài)的磁場脈沖結(jié)束后重新極化到多疇狀態(tài)。由于完全局部地施加對應(yīng)于多疇狀態(tài)的極性轉(zhuǎn)換后的疇的晶體的重新返回原始磁化取向的區(qū)域,因此可以以相對較少的能量和裝置花費實現(xiàn)該優(yōu)點。
本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例在于,疇壁由在晶體中所產(chǎn)生的非均勻性而被保持在預(yù)定位置。
根據(jù)本發(fā)明另一變形的特征,光束穿過晶體的那些由于施加具有磁場強(qiáng)度H1的磁場而轉(zhuǎn)換極性的區(qū)域。晶體的該區(qū)域是高度大約為500μm的磁化交變的中疇,使得本發(fā)明的方法和裝置的應(yīng)用被擴(kuò)展,例如也被擴(kuò)展到纖維光學(xué)應(yīng)用。
為了解決本發(fā)明所提出的技術(shù)問題,開頭所述的用于改變光的極化狀態(tài)的裝置的特征在于,所述裝置被設(shè)置用于產(chǎn)生至少兩個不同磁場強(qiáng)度H1、H2的磁場。因此,裝置可以達(dá)到快的開關(guān)時間,同時實現(xiàn)大的用于改變光的極化狀態(tài)的孔徑,其中通過施加強(qiáng)磁場脈沖來交變晶體的較大疇、大多數(shù)情況下是中疇的磁極化而引起該孔徑。可以通過保持磁場防止晶體的該區(qū)域變回原始磁化、并因此晶體返回多疇狀態(tài),從而可以將較大疇用于傳導(dǎo)光。
本發(fā)明裝置的一個優(yōu)選實施方式的特征在于,可控磁場源的控制電路至少具有兩個開關(guān)狀態(tài),該控制電路控制磁場源以產(chǎn)生不同磁場強(qiáng)度H1、H2的磁場或磁場脈沖。作為可控磁場源,在裝置的一個簡單實施方式中,可以采用單個包圍晶體的磁線圈,其中其控制裝置也同樣可以簡單地實現(xiàn)。
根據(jù)另一實施方式,如果用于產(chǎn)生磁場并向晶體施加磁場的裝置包括至少具有兩個開關(guān)狀態(tài)的可控磁場源和永久磁場源,其中可控磁場源在一個開關(guān)狀態(tài)中提供比永久磁場源的磁場強(qiáng)度H2明顯更高的磁場強(qiáng)度H1,則控制裝置可以更簡單,并且可以限制為可控磁場源的接通和斷開。永久磁場源可以最簡單地通過必要時安裝在晶體上或晶體旁的永磁體來實現(xiàn)。
為了加速晶體在用于單疇狀態(tài)的磁場脈沖結(jié)束后重新極化回多疇狀態(tài),并因此也改善開關(guān)時間,按照本發(fā)明提供這樣一種實施方式,其中設(shè)置另一可控磁場源,其只對晶體的一個區(qū)域施加磁場或磁場脈沖,該區(qū)域?qū)?yīng)于被第一磁場源的磁場脈沖轉(zhuǎn)換極性的疇,而且所述另一可控磁場源的極性與具有磁場強(qiáng)度H1、H2的磁場或磁場脈沖的極性相反。由于完全局部施加晶體的對應(yīng)于具有交變記性的疇的區(qū)域一在具有3個磁疇的晶體的大多數(shù)存在的開始狀態(tài)下是中心區(qū)域,因此可以用相對較少的能量和裝置花費來實現(xiàn)該優(yōu)點。
按照本裝置的一個優(yōu)選實施方式,晶體具有將疇固定在預(yù)定位置的非均勻性,該非均勻性優(yōu)選位于晶體的側(cè)面。
本發(fā)明方法以及相應(yīng)裝置的其它特征和優(yōu)點將在下面的描述和附圖中詳細(xì)解釋。
圖1a示意性示出在三疇狀態(tài)下的根據(jù)本發(fā)明的具有的包圍磁線圈的裝置的晶體,
圖1b示出在施加負(fù)極性的磁場脈沖之后在單疇狀態(tài)下的圖1a晶體,圖2示出本發(fā)明裝置的晶體的一個優(yōu)選實施方式,其中示意性示出用于局部穩(wěn)定這些疇的非均勻性。
具體實施例方式
附圖中所示出的本發(fā)明裝置的晶體1例如由釔正鐵氧體或類似的磁性單軸材料制成。垂直于用于預(yù)定波長的光軸剖開晶體。對于釔正鐵氧體,光軸位于結(jié)晶bc平面,而且對于1.3μm的光波長包括與c軸之間47度的角度。將極化平面旋轉(zhuǎn)45度所需要的所述波長的厚度是1.1mm,晶體1的高度是1.2mm。
在沒有外部磁場的情況下,晶體1剛開始處于具有3個磁化疇3、4、5的狀態(tài)。在這種晶體1中,相鄰的相反磁化的疇3、4、5的疇壁2垂直于結(jié)晶α軸的方向,參見圖1a。在圖1a所示例子中為負(fù)磁化的上疇和下疇3、4的高度大約是300至350μm,而中間的疇相是正磁化,并具有約為500μm的高度,并且必要時還可以更大。
在借助于包圍整個晶體1的線圈6施加磁場強(qiáng)度為H1的負(fù)極性的磁場脈沖時,晶體1一直被磁化到可逆的單疇狀態(tài)中,其中單疇狀態(tài)在圖1b中示出。線圈6在圖1a和1b中僅示意性示出,并且實際上比晶體1高或厚。例如,對于高度為1.2mm的晶體1,線圈具有大約1.5mm的高度。
但是,在晶體1由于所施加的磁場脈沖而達(dá)到單疇狀態(tài)之后,不完全結(jié)束該磁場脈沖,而是僅將其開始的磁場強(qiáng)度H1返回到同樣由線圈6所產(chǎn)生的保持磁場強(qiáng)度H2,該磁場強(qiáng)度H2最大為磁場強(qiáng)度H1的1/3。大多數(shù)情況下,保持磁場強(qiáng)度H2最大為磁場強(qiáng)度H1的10%就足夠了。通過該保持磁場H2,以非常小的能量消耗保持圖1b的單疇狀態(tài),并防止中疇5轉(zhuǎn)換磁化到原始取向(圖1a)。
然后,通過結(jié)束對線圈6的電流供應(yīng)而將磁場強(qiáng)度減小到0就使得晶體返回具有中疇5的正磁化的圖1a的多疇狀態(tài)。該狀態(tài)又可以在沒有引入外部能量的情況下得以保持。但是,在沒有外部能量引入的情況下,返回該狀態(tài)進(jìn)行得非常緩慢,處于微秒范圍。為了加速返回以改善裝置的開關(guān)時間,可以局部地在中疇5處施加局部正磁場脈沖,該磁場脈沖只正面地引起中疇5的更快轉(zhuǎn)換磁化。這例如可以通過包圍中疇5或設(shè)置在中疇5上的第二磁線圈7來實現(xiàn),其還具有另一優(yōu)點,即除了線圈7之外,不負(fù)面影響負(fù)磁化的疇3、4。
相反,作用于整個晶體1的正磁場脈沖在相應(yīng)的磁場強(qiáng)度下正面影響整個晶體的持續(xù)轉(zhuǎn)換磁化,從而對于后續(xù)磁化轉(zhuǎn)換,每次都必須克服非常高的矯頑磁力。
不是通過線圈6,而是必要時也通過晶體1上或旁的永磁體來產(chǎn)生保持磁場H2,其中于是用于產(chǎn)生磁場強(qiáng)度為H1的磁場脈沖的磁場源可以完全斷開,并且晶體1可以在沒有外部能量供應(yīng)的情況下完全被保持在圖1b所示的磁化轉(zhuǎn)換后的狀態(tài)。
對于疇3、4、5的局部穩(wěn)定,可以在晶體1上應(yīng)用非均勻性8。該非均勻性8、例如裂縫、劃痕等設(shè)置在晶體1的表面上,有時設(shè)置在晶體1的側(cè)面上,如圖2所示。裂縫或劃痕8的方向垂直于結(jié)晶α軸,并且平行于疇3、4、5的壁2平面。
如果現(xiàn)在通過中疇5引導(dǎo)光束,則光的極化根據(jù)磁化改變,并因此可快速開關(guān)。
權(quán)利要求
1.一種利用磁單軸晶體改變光的極化狀態(tài)的方法,其中所述晶體首先具有特定的多疇結(jié)構(gòu),光穿過所述晶體的預(yù)定區(qū)域,并且在所述晶體(1)上施加磁場強(qiáng)度為H1的磁場脈沖,其中在所述磁場強(qiáng)度H1下,所述晶體(1)轉(zhuǎn)變到可逆的單疇狀態(tài),其特征在于,在晶體(1)轉(zhuǎn)變到可逆的單疇狀態(tài)之后,在所述晶體(1)上施加相同極性并且磁場強(qiáng)度為H2的保持磁場,其中所述磁場強(qiáng)度H2小于磁場強(qiáng)度H1,并且保持可逆的單疇狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,通過減小先前所施加的磁場脈沖的磁場強(qiáng)度來設(shè)置保持磁場H2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,對所述晶體(1)持續(xù)施加磁場強(qiáng)度為H2、且極性與強(qiáng)度為H1的磁場脈沖相同的保持磁場。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法,其特征在于,所述保持磁場的磁場強(qiáng)度H2最大為為了達(dá)到晶體(1)的可逆單疇狀態(tài)而需要的磁場脈沖的磁場強(qiáng)度H1的1/3,優(yōu)選最大為所述磁場強(qiáng)度H1的10%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的方法,其特征在于,在晶體(1)的至少一個已經(jīng)被可逆地轉(zhuǎn)換極性的區(qū)域(5)上施加極性與可逆極性轉(zhuǎn)換磁場脈沖相反的磁場,直到在所述區(qū)域(5)中重新建立所述晶體(1)的原始極化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的方法,其特征在于,疇壁(2)通過在晶體(1)中所產(chǎn)生的非均勻性(6)而保持在預(yù)定位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的方法,其特征在于,光束穿過晶體(1)的那些通過施加磁場強(qiáng)度為H1的磁場脈沖而轉(zhuǎn)換極性的區(qū)域。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的方法改變光的極化狀態(tài)的裝置,具有由首先具有特定的多疇結(jié)構(gòu)的磁單軸晶體(1)而構(gòu)成的磁光轉(zhuǎn)子,并且具有至少一個用于產(chǎn)生磁場并對所述晶體(1)施加磁場的裝置,包括至少一個用于磁場和磁場脈沖的可控源和用于磁場源的控制電路,其特征在于,所述裝置被設(shè)置用于產(chǎn)生至少兩個不同磁場強(qiáng)度H1、H2的磁場。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置,其特征在于,所述可控制磁場源的控制電路至少具有兩個開關(guān)狀態(tài),所述控制電路控制所述磁場源以產(chǎn)生不同磁場強(qiáng)度H1、H2的磁場或磁場脈沖。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置,其特征在于,用于產(chǎn)生磁場并向晶體(1)施加磁場的裝置包括至少具有兩個開關(guān)狀態(tài)的可控磁場源以及永久磁場源,其中所述可控磁場源在一個開關(guān)狀態(tài)中提供具有比所述永久磁場源的磁場強(qiáng)度H2明顯更高的磁場強(qiáng)度H1的磁場脈沖。
11.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的裝置,其特征在于,設(shè)置另一可控磁場源,所述另一可控磁場源只對晶體(1)的區(qū)域(5)施加磁場或磁場脈沖,其中所述區(qū)域?qū)?yīng)于被第一磁場源的磁場脈沖轉(zhuǎn)換極性的疇(5),而且所述另一可控磁場源的極性與磁場強(qiáng)度為H1、H2的磁場或磁場脈沖的極性相反。
12.根據(jù)權(quán)利要求8至11中任一項所述的裝置,其特征在于,所述晶體(1)具有將疇(3,4,5)固定在預(yù)定位置的非均勻性(8),所述非均勻性優(yōu)選位于晶體(1)的側(cè)面。
全文摘要
一種利用磁單軸晶體改變光的極化狀態(tài)的方法,該晶體首先具有特定的多疇結(jié)構(gòu),其中光穿過晶體的預(yù)定區(qū)域,并且在晶體(1)上施加具有磁場強(qiáng)度H1的磁場脈沖,在該磁場強(qiáng)度下晶體(1)轉(zhuǎn)變?yōu)榭赡娴膯萎牋顟B(tài)。為了在盡可能小的開關(guān)和響應(yīng)時間下擴(kuò)大可用的孔徑,在晶體(1)轉(zhuǎn)變到可逆單疇狀態(tài)之后在該晶體(1)上施加相同極性并具有磁場強(qiáng)度H2的保持磁場,該磁場強(qiáng)度H2小于磁場強(qiáng)度H1并且保持可逆的單疇狀態(tài)。
文檔編號G02F1/01GK101076753SQ200580042285
公開日2007年11月21日 申請日期2005年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月9日
發(fā)明者尤里·S·迪多斯延 申請人:維也納工業(yè)大學(xué), 伊泰克股份公司