(57)【要約】光の偏光状態を変化させるため、磁気的に単軸の結晶が使用される。ここでは、光は結晶の所定の領域を通過する。光の偏光状態を切り替えるため、結晶に所定の磁界強度を有する磁界パルスが印加される。前記所定の磁界強度は、パルスの終了後に該結晶が単磁区状態に留まることなく、印加された磁界の方向によって決定された所定の多磁区状態に戻る程度の磁界強度である。したがって、スイッチング素子の使用可能なアパーチャが大きくなり、切り替え時間が非常に短くなる。切り替え自体のためのエネルギーが必要であり、所定の状態を維持するためのエネルギーは必要ない。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の偏光状態を、磁気的に単軸の結晶によって変化させる方法であって、
前記結晶を、外部の磁界の作用によって単磁区状態に移行させ、
前記結晶の所定の領域に光を通過させる形式の方法において、
前記結晶に対して、所定の磁界強度（Ｈ）を有する磁界パルスを印加し、
前記所定の磁界強度（Ｈ）は、前記結晶がパルス終了後に単磁区状態にとどまることなく、印加された磁界によって決定された所定の多磁区状態に戻る程度の磁界強度であることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記結晶に形成された不均一部によって、磁壁を所定の位置に維持する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
外部の磁界パルスのスイッチオフ後に該外部の磁界パルスと同一の符号で磁化された状態にとどまる結晶の領域に光線を通過させる、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
外部の磁界パルスのスイッチオフ後に該外部の磁界パルスと逆の符号で磁化された結晶の領域に光線を通過させる、請求項１または２記載の方法。
【請求項５】
外部の磁界の作用中には同一の符号で磁化され、かつ該外部の磁界パルスのスイッチオフ後には逆の符号で磁化される結晶の領域に光線を通過させる、請求項１または２記載の方法。
【請求項６】
光線の偏光状態を変化させるための装置であって、
磁気的に単軸の結晶から形成された磁気光学式の回転子を有し、
前記回転子は不均一部を有し、
前記不均一部は、磁区を所定の位置に固定する形式のものにおいて、
前記不均一部は、前記結晶の側壁に設けられていることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法にしたがって光線の偏光状態を変化させるための装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の対象
本発明は、光の偏光状態を磁気的に単軸の結晶によって変化させる方法と、この種の方法を実施するための装置とに関する。この磁気的に単軸の結晶は、外部の磁界パルスの影響を受けて単磁区に移行し、光は結晶の所定の領域を通過する。本発明の対象は、光線の偏光を変化させることにより、この光のうち複数の方向および強度等を変化させる方法および装置に関する。これらは、光学的通信システム、光学的情報処理、ディスプレイ等に適用される。
【０００２】
従来の技術の簡単な説明
現在、数多くの種類の光スイッチが開発されている。この中には、マイクロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）、音響光学式システム、液晶システム、電子スイッチング型のブラッググレーティング（ブラッグ格子）システム、バブルジェットシステム（バブルシステム）、熱光学式システム、干渉式システム、熱毛管型システム、電子ホログラフ型システムおよび磁気光学システムが含まれる。現在、ＭＥＭＳが最も使用される。ＭＥＭＳの重要な利点は、いわゆる「ラッチングシステム」に属することである。すなわち、ノンエネルギーの安定したスイッチング状態を有し、スイッチングのためだけのエネルギーしか必要としないことである。
【０００３】
しかし、ＭＥＭＳのスイッチング時間は非常に長く、約１ｍｓである。それに対して、電子光学式システムのスイッチング時間は格段に短い。たとえば、新しい電子ホログラフ型スイッチのスイッチング時間は、約１０ｎｓのみである。しかしこのようなスイッチングでは、少なくとも１つの状態において持続的なエネルギー供給が必要である。さらに、電子ホログラフ型スイッチの「インサーションロス」（挿入損失）は非常に高く、約４〜５ｄＢである。
【０００４】
磁気光学システムによって、短いスイッチング時間と、いわゆる「ラッチング」機能（上記参照）による小さいインサーションロスとを組み合わせることができる。オーストリア特許公報４０８７００に記載された発明では、多重安定型偏光回転子が記載されている。このような回転子の安定状態は、所定の位置にて磁壁（ＤＷ）を維持するオルトフェライトのプレートの表面上における不均一性によって保証される。このような安定状態の移行は、これらの位置の間の磁壁が移動することによって発生し、新たな磁区が生成されることなく行われる。この移行に必要な持続時間は約１００ｎｓである。このことは、「ラッチング」形式の他の光スイッチより数千回も高速であることを意味する。しかし、スイッチのアパーチャは非常に制限されている。駆動磁界の振幅は非常に小さいので、ＤＷは比較的小さな距離でしか移動することができない。
【０００５】
本発明の課題は、スイッチのアパーチャの制限を低減することである。
【０００６】
具体的に本発明によれば、前記課題の解決手段は、所定の磁界強度（Ｈ）を有する磁界パルスを結晶に加えることである。この所定の磁界強度（Ｈ）は、パルスの終了後に結晶が単磁区状態にとどまらず、印加された磁界の方向によって決定された所定の多磁区状態に戻る程度の磁界強度である。したがって、大きな振幅の磁界パルスを印加することにより、スイッチのアパーチャが増大される。このアパーチャは、交番的な磁界パルスが作用する領域によって決定される。本発明ではこの領域は、磁気パルスのスイッチオフ後に発生する磁区構造を表す。オルトフェライトには比較的大きな磁区が発生するので、これに相応してスイッチのアパーチャも大きくなる。
【０００７】
オルトフェライトは、矩形のヒステリシス関数を有する。オルトフェライトの保磁力は非常に高く、数キロエルステッド（ｋＯｅ）になる。保磁力に打ち勝つためには大きな磁界を生成することが必要であり、このような磁界を生成するには大きなエネルギー入力が要求され（このファクタはとりわけ、密集してパッケージングされたスイッチマトリクスの構成において重要である）、システムのインダクタンスが上昇し、スイッチング時間が延長されてしまう。駆動磁界の必要な強度を低減するため、結晶表面上における不均一性が利用される。この不均一性によって、磁壁が所定の位置に固定される。不均一な部分間の距離が小さいか、または薄いオルトフェライトプレートが使用されると、ＤＷは連続的に１つの不均一部から別の不均一部へ移動する。オルトフェライト結晶の場合、オルトフェライトプレートは約１００μｍで適用され、可視スペクトル領域または近赤外線スペクトル領域にて偏光回転の際に使用される。厚いパタン、とりわけ１．３μｍ以上の波長で４５°の偏光回転に対して使用される１．２ｍｍ以上の厚さのイットリウムオルトフェライト結晶では、状態が異なることが発見された。このような結晶に非常に強い磁界を印加して、広範囲の磁化を変化させると、新たな磁区が発生して拡大し、不利な磁化方向を有する磁区が崩壊し、結晶が磁化されるという結果になる。磁界パルスの振幅が非常に高いと（数ｋＯｅ）、このパルスの終了後も結晶は単磁区状態にとどまり、磁化方向を変化させるために、再び等しい振幅またはそれ以上の振幅を有するパルスを印加しなければならない。
【０００８】
しかし、パルスの振幅Ｈがあまり大きくなく、結晶の飽和磁化（Ｈ＝Ｈｓ）に到達するのに十分である場合、パルスが終了すると、結晶は再び多磁区状態に復帰する（すなわち、対向する磁区の種は完全には抑圧されず、パルス終了後にこれらは新たな磁区となる）。
【０００９】
本発明の別の構成および利点、ならびに相応の装置を、以下で表１および図面に基づいて詳細に説明する。
【００１０】
多くの場合、パルス（Ｈ≦Ｈｓ）を印加すると、所定の結晶領域における磁化方向が反対方向に変化する。ここで、光軸に対して垂直に切断されたオルトフェライト結晶を考察する。このような結晶では、ＤＷは結晶学上のａ軸の方向に対して垂直な方向を有する。図１を参照されたい。磁化は、上方の磁区および下方の磁区では正であり、中間の磁区では負である（図１ａ）。ここで、負の極性の磁界パルスが結晶に作用する。パルスの振幅がほぼＨｓである場合、結晶は磁化されて単磁区状態になる。図ｂを参照されたい。パルスの終了後、結晶は図１ｃに示されたような領域に下位分割される。結晶の上方の領域および下方の領域では結合力は非常に高く、磁化方向はちょうどパルス時と同様の状態にとどまる。中間の領域では結合力は比較的弱く、もちろん磁化方向は逆方向になっている。磁区を安定させるため、オーストリア特許公報４０８７００の発明において記載されているように、ここでも不均一性（不均質性）が使用される。
【００１１】
ここで、光線が異なる結晶領域へ偏向されると、異なる光線の偏光が駆動磁界と光線の位置に依存して変化する。表１の例では、領域１を通過する光線の極性は「＋」によって示されており（すなわち、分極方向は時計回りである）、領域２を通過する光線の極性は「−」によって示されている（分極方向は反時計回りである）。負の極性の磁界パルスが印加されると、パルス時には両光線の極性は「マイナス」になる。パルス終了後には、光線１および２の極性はそれぞれ「−」（１の場合）および「＋」（２の場合）になる。正の極性の磁界パルスを印加すると、「＋」および「−」という新たな分布が発生し、このパルスの終了後には、再び「＋」および「−」の状態が発生する。したがって、パルスの極性および持続時間を選択された時間間隔で選択することにより、所望の極性分布ないしは極性の組み合わせが達成される。
【００１２】
オーストリア特許公報４０８７００に記載された発明では、光線が通過する結晶表面にて不均一部（たとえば掻き傷ないしは削孔部）を使用することによって、ＤＷが固定される。表面上のこのような不均一部によって光分散が発生してしまい、特にこのような結晶を減衰器において使用する場合に、障害となってしまう。
【００１３】
オーストリア特許公報４０８７００に記載された構成から逸脱して、本発明では具体的には、結晶の側面に不均一部（たとえば削孔部）が設けられる。図２には、掻き傷ないしは削孔部の形態の不均一部が回転子の側面に設けられているのが示されている。掻き傷ないしは削孔部の方向は、結晶学上のａ軸に対して垂直であり、かつＤＷの平面に対して平行である。
【００１４】
長い距離にわたってＤＷの移動が連続的になるようにするため、比較的薄いプレートを使用しなければならない（オルトフェライトの場合「比較的薄い」とは、数百μｍの厚さのプレートに相応する）。磁界強度の非常に広い領域では、このようなプレートに及ぼされる磁界の作用は、適切な極性を有する既存の磁区の拡大であり、新たな磁区の発生ではない。不均一部は磁区を所望の位置にて維持し、回転子の多重安定型の作動が達成される。所望の厚さを有する回転子を構成するため、複数のこのようなプレートのスタックを使用することができる。
【００１５】
さらに、ＤＷを固定するための不均一部を永久磁界のソースと組み合わせることができる。オーストリア特許公報４０８７００に記載された発明では、磁石の対の不均一な磁界を使用することが提案されている。しかし２つの磁石を使用することによって、構成要素ないしはシステムの寸法が大きくなってしまう。
【００１６】
本発明では、１つの永久磁石のみが使用される。この１つの永久磁石によって、回転子の隣接する部分の磁化が維持される。この磁区（ＤＷ）の境界の長さは、磁界パルスの影響を受けることによって変化し、上記のように不均一部によって固定される。
【００１７】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１ａ】磁界パルス印加前の磁区を示している。
【図１ｂ】磁界パルス印加中の磁区を示している。
【図１ｃ】磁界パルス印加後の磁区を示している。
【図２】本発明による、不均一部が設けられた回転子を示している。
【図１ａ）】
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【図１ｂ）】
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【図１ｃ）】
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【図２】
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【国際調査報告】
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