Способ и устройство для изменения состояния поляризации света
Изобретение относится к оптической технике. Для изменения состояния поляризации света используется намагниченный одноосный кристалл, причем свет проходит через заданные зоны кристалла. Для переключения состояния поляризации света на кристалл налагается импульс магнитного поля с некоторой напряженностью магнитного поля, при которой кристалл после завершения импульса не остается в однодоменном состоянии, а возвращается в определенное многодоменное состояние, определяемое направлением прилагаемого магнитного поля. Технический результат - возможность достижения больших полезных апертур коммутирующего элемента при очень коротких периодах коммутации, причем энергия необходима лишь для самой коммутации, но не для поддержания определенного состояния. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.
Изобретение относится к способу изменения состояния поляризации света с намагниченным одноосным кристаллом, переходящим под воздействием импульса внешнего магнитного поля в однодоменное состояние, при этом свет проходит через заданные зоны кристалла, а также к устройству для реализации указанного способа. Таким образом, объектами изобретения являются способы и устройства для изменения поляризации световых лучей и, вследствие этого, для изменения направления, интенсивности и других параметров этих световых лучей, используемых в оптических системах связи, обработке информации, дисплеях и тому подобное.
Уровень техники
В настоящее время из уровня техники известны многочисленные виды оптических переключателей, в том числе микроэлектромеханические системы (МЭМС), акустооптические, жидкокристаллические, решетки Брэгга (Bragg gratings) с электронным управлением, пузырьковые системы (bubble jets), термометрические, интерферометрические, термокапиллярные, электроголографические и магнитооптические системы. В настоящее время системы МЭМС имеют наибольшее применение. Значительным преимуществом МЭМС является то, что они относятся к так называемым "latching-системам", то есть, что им присущи не требующие энергии стабильные состояния коммутации, а энергия необходима лишь для коммутации.
Однако указанным системам необходимо довольно продолжительное время коммутации: примерно 1 мс. Электрооптические системы имеют сравнительно значительно менее продолжительное время коммутации; например продолжительность срабатывания нового электроголографического коммутатора составляет лишь 10 нс. Но эти коммутации требуют постоянного энергоснабжения, по меньшей мере, в одном состоянии. Кроме того, для электроголографических коммутаторов (Schalter) характерны довольно высокие вносимые потери (insertion loss), a именно примерно 4-5 dB.
Магнитооптические системы открывают возможность комбинации коротких периодов коммутации и незначительных вносимых потерь с так называемым методом "latching" (см. выше). В техническом решении согласно австрийскому патенту №408700 описывается мультистабильное поворотное устройство поляризации. Стабильные состояния при этом поворотном устройстве обеспечиваются неоднородностями на поверхностях ортоферритных пластинок, закрепляющих доменные стенки (DW) в заданных положениях. Переходы между этими стабильными состояниями осуществляются за счет движения доменных стенок между этими положениями, и происходят они без образования новых доменов. Необходимое для этих переходов время составляет 100 нс, то есть они осуществляются в каких-то 1000 раз быстрее, чем для других оптических коммутаторов типа "latching". Однако апертура коммутатора существенно ограничена. Амплитуда возбуждающего магнитного поля довольно небольшая, в результате чего доменные стенки могут перемещаться лишь на сравнительно небольшие расстояния.
Задача изобретения состоит в уменьшении ограничений по апертуре коммутатора.
Согласно изобретению эта задача решается тем, что на кристалл налагается импульс магнитного поля с некоторой напряженностью магнитного поля (Н), при которой после окончания импульса кристалл не остается в однодоменном состоянии, а возвращается в определенное многодоменное состояние, определяемое направлением прилагаемого магнитного поля. Таким образом увеличивается апертура коммутатора в результате приложения импульсов магнитного поля с высокой амплитудой. Апертура определяется при этом зоной, в которой попеременно действуют магнитные импульсы. В предлагаемом изобретении эта зона представляет доменную структуру, возникающую после отключения магнитного импульса. В ортоферритах возникают относительно большие домены, вследствие чего достигаются также соответственно большие апертуры коммутатора.
Ортоферриты обладают прямоугольной гистерезисной функцией. Коэрцитивная сила ортоферритов достаточно высока, она составляет несколько килоэрстедов (кэ). Создание больших магнитных полей, необходимых для преодоления коэрцитивной силы, требует больших энергозатрат (этот фактор имеет особое значение в конструкциях плотноупакованных коммутационных матриц) и может сопровождаться также повышенной индуктивностью схем, что увеличивает время коммутаций. Для снижения требуемого напряжения возбуждающего поля используются неоднородности на поверхности кристалла, закрепляющие доменные стенки в заданных положениях. Если расстояние между неоднородностями небольшое, или если применяется тонкая ортоферритная пластинка, доменные стенки перемещаются постоянно от одной неоднородности к другой. В случае кристалла ортоферрита последняя составляет ≈100 μм, используемая для вращения поляризации в видимом и близком к инфракрасному диапазоне спектра. Было обнаружено, что в случае образца большей толщины, а именно в случае иттрия толщиной ≥1,2 мм, кристаллы ортоферрита ≥1,3 μм, используемые для вращения поляризации на 45° на длинах волны, складывается другая ситуация. Применение для этих кристаллов довольно сильных магнитных полей для изменения намагниченности больших зон вызывает образование новых доменов и их расширение, коллапс доменов с неблагоприятным направлением намагниченности и в результате намагничивание кристалла. Если амплитуда импульса магнитного поля достаточно высока (несколько кэ), после завершения этого импульса кристалл остается в однодоменном состоянии, а изменения направления намагниченности требуют нового приложения импульсов с аналогичными или даже более высокими амплитудами.
Если же амплитуда Н импульсов не очень высока и только позволяет получить намагниченность насыщения кристалла (H=Hs), после окончания импульса кристалл вновь возвращается в многодоменное состояние (зародыши противоположно намагниченных доменов подавляются не полностью и после окончания импульса вырастают в новые домены).
Другие признаки и преимущества способа согласно изобретению, а также соответствующего устройства поясняются более детально ниже на основании таблицы (см. в конце описания) и чертежей.
Во многих случаях после приложения импульсов (H≤Hs) направления намагниченности в определенных зонах кристалла изменяются на противоположные.
Рассмотрим кристалл ортоферрита, срезанный перпендикулярно оптической оси. В таком кристалле доменные стенки ориентированы перпендикулярно к направлению кристаллографической α-оси (см. фиг.1). В верхних и нижних доменах намагниченности положительные, а в средних доменах - отрицательные (фиг.1а). На кристалл действует импульс магнитного поля с отрицательной полярностью. Если амплитуда импульса составляет примерно Hs, кристалл намагничивается до однодоменного состояния (фиг.1b). После прекращения импульса кристалл разбивается на домены (фиг.1с). В нижней и верхней зоне кристалла силы сцепления довольно велики, и направление намагниченности остается точно таким, как и во время импульса. В средней зоне, где силы сцепления слабее, направление намагниченности противоположное. Для стабилизации доменов можно опять использовать неоднородности (неравномерности), как они описаны в изобретении №408700.
При направлении световых лучей в различные зоны кристалла состояние поляризации различных лучей изменяются в зависимости от магнитного поля возбуждения и от положений лучей. В примере на таблице поляризация проходящих через зону 1 лучей обозначена знаком "+" (то есть, что направление поляризации вращается по часовой стрелке), а поляризация лучей, проходящих через зону 2, знаком "-" (направление поляризации вращается против часовой стрелки). Если прилагается импульс магнитного поля отрицательной полярности, то во время импульса поляризация обоих лучей будет отрицательной. После прекращения импульса поляризация лучей 1 и 2 будет соответственно "-" (для луча 1) и "+" (для луча 2). Приложение импульса магнитного поля положительной полярности приводит к новому распределению: "+" и "+", а после окончания импульса опять возникает состояние "+" и "-". Таким образом за счет выбора полярности и продолжительности импульса с определенными временными интервалами может быть получено требуемое распределение или комбинация поляризаций.
В техническом решении согласно патенту Австрии №408700 для закрепления доменных стенок используются неравномерности (как, например, царапины или насечки) на поверхности кристалла, через которые проходят световые лучи. Эти неоднородности на поверхности приводят к рассеянию света, что отрицательно сказывается особенно при использовании таких кристаллов в аттенюаторах.
В отличие от решений согласно австрийскому патенту №408700 в предлагаемом изобретении неравномерности (например, царапины) наносятся на одну или несколько боковых поверхностей кристалла. На фиг.2 показаны такие неоднородности в форме царапин или насечек на боковых поверхностях поворотного устройства (Rotator). Направление царапин или насечек перпендикулярно кристаллографической α-оси и параллельно плоскостям доменных стенок.
Для обеспечения постоянного движения доменных стенок на большие расстояния следует применять относительно тонкие пластинки (в случае ортоферита считаются "относительно тонкими" пластинки толщиной в несколько сот микронов). В очень широком диапазоне напряженности магнитного поля воздействие магнитного поля на эти пластинки состоит в расширении существующих доменов с соответствующей полярностью, а не в создании новых доменов. Неоднородности закрепляют доменные стенки в заданных положениях, что обеспечивает мультистабильную работу поворотного устройства. Стопы нескольких таких пластинок могут использоваться для построения поворотного устройства требуемой толщины.
Далее неоднородности, закрепляющие доменные стенки, могут комбинироваться с источниками постоянных магнитных полей. В изобретении согласно австрийскому патенту №408700 предложено использовать однородное магнитное поле пары магнитов. Однако применение двух магнитов увеличивает размеры элементов или соответственно систем.
Согласно изобретению применяется лишь один постоянный магнит. Он обеспечивает намагниченность прилежащей части поворотного устройства; положение границы этого домена (его домена) изменяется под воздействием импульса магнитного поля и может быть закреплено неоднородностями, о которых упоминалось выше.
1. Способ изменения состояния поляризации света с намагниченным одноосным кристаллом, переходящим под воздействием импульса внешнего магнитного поля в однодоменное состояние, при этом свет проходит через заданные зоны кристалла, отличающийся тем, что к кристаллу прилагается импульс магнитного поля с некоторой напряженностью магнитного поля (Н), при которой после окончания импульса кристалл не остается в однодоменном состоянии, а возвращается в определенное многодоменное состояние, определяемое направлением прилагаемого магнитного поля, при этом выбор полярности и продолжительности импульса обеспечивает получение требуемого распределения или комбинации поляризаций.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что доменные стенки закрепляются в заданных положениях при помощи неоднородностей, создаваемых в кристалле.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что световые лучи направляются через такие зоны кристалла, которые после отключения импульса внешнего магнитного поля остаются намагниченными с тем же знаком, что и импульс внешнего магнитного поля.
4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что световые лучи направляются через такие зоны кристалла, которые после отключения импульса внешнего магнитного поля остаются намагниченными с противоположным знаком, чем импульс внешнего магнитного поля.
5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что световые лучи направляются через такие зоны кристалла, которые во время воздействия импульса внешнего магнитного поля намагничены с тем же знаком, а после отключения импульса внешнего магнитного поля намагничиваются с противоположным знаком.
6. Устройство для изменения состояния поляризации световых лучей, образованное магнитооптическим поворотным устройством из намагниченного одноосного кристалла, имеющего неоднородности, которые закрепляют домены в заданных положениях, отличающееся тем, что эти неоднородности находятся на боковых поверхностях кристалла, при этом в устройстве предусмотрен один постоянный магнит, обеспечивающий намагниченность прилежащей части поворотного устройства с возможностью выбора полярности и продолжительности импульса магнитного поля для получения требуемого распределения или комбинации поляризаций.
