(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気的に一軸の結晶から成るファラデー回転子を備えた磁気光学スイッチング素子において、
回転子は外部の磁界が印加されない場合の各安定状態で２つの方向の磁区を有しており、
磁壁は外部の磁界を印加することによる一方から他方への安定状態の切換の際に付加的な磁区を形成することなく運動可能である、
ことを特徴とするファラデー回転子を備えた磁気光学スイッチング素子。
【請求項２】
外部の磁界が存在しないときにも磁区を安定させるために結晶の格子偏差が設けられており、該格子偏差の個所に磁壁が固定される、請求項１記載のスイッチング素子。
【請求項３】
格子偏差は結晶表面の切欠、凹部、溝その他により形成されている、請求項２記載のスイッチング素子。
【請求項４】
格子偏差は結晶内部に設けられた中空部、孔、外部影響その他により形成されている、請求項２記載のスイッチング素子。
【請求項５】
格子偏差は結晶の領域ごとのドープまたはドーパント濃度の変更により形成されている、請求項２記載のスイッチング素子。
【請求項６】
磁壁の両側に所定の間隔を置いて複数の格子偏差が結晶の複数の安定なスイッチング位置に相応に設けられている、請求項２から５までのいずれか１項記載のスイッチング素子。
【請求項７】
結晶は光軸に対してほぼ垂直に切断されておりかつ通過する光ビームの方向に対してほぼ平行に配置されたオルソフェライトである、請求項２から６までのいずれか１項記載のスイッチング素子。
【請求項８】
格子偏差はほぼ線形でありかつａ結晶軸に対して少なくとも近似に垂直に結晶全体にわたって延在している、請求項７記載のスイッチング素子。
【請求項９】
結晶領域でゼロ交差する勾配磁界が持続的に結晶に印加され、有利には該勾配磁界は少なくとも１組の永久磁石により印加される、請求項１から８までのいずれか１項記載のスイッチング素子。
【請求項１０】
マルチ安定型光スイッチ、シャッタ、変調器または減衰器として使用する
ことを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項記載のファラデー回転子を備えた磁気光学スイッチング素子の使用法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、磁気的に一軸の結晶から成るファラデー回転子を備えた磁気光学スイッチング素子に関する。この素子は例えば光スイッチングシステム、光通信技術ないしデータ処理の光ビームの光路を変更するための光ネットワーク、光シャッタ、光減衰素子、または所定のビーム成分の強度を変化させられる空間依存性の光変調システムなどで使用される。
【０００２】
機械的な光スイッチやシャッタなどは大抵の場合に比較的簡単な手段で安定したスイッチング状態を実現可能であり、その際に持続的なエネルギ消費は必要ない。この種の機械的なスイッチング素子の欠点はスイッチング速度が比較的低いことであり、このため本質的には冒頭に言及したタイプの多くの適用領域での使用には向いていない。
【０００３】
相応に高いスイッチング速度は、例えば周知の電気光学スイッチング素子（例えば米国特許第５７１２９３５号明細書を参照）または音響光学スイッチング素子（例えば米国特許第５８８３７３４号明細書を参照）などにより得られるが、こうした素子では安定したスイッチング状態を維持するのに持続的なエネルギ供給が必要となる。ここで例外的に、アモルファス材料による電気光学効果に基づくスイッチング素子は持続的なエネルギ供給なしに安定した状態を有するのであるが（例えばヨーロッパ特許第０５００４０２号明細書）、その素子のそれぞれの安定状態の間の移行時間はミリ秒領域にあるため、スイッチング時間はやはり比較的大きくなってしまう。
【０００４】
冒頭に言及した公知の磁気光学スイッチング素子はこうした問題に妥協をはかる解決手段を提供する。機械的エレメントに比べて磁気光学スイッチング素子は可動部分を有さないので振動または衝撃に対して感度が低く、波長に依存する関数に結びついたかなり高いスイッチング速度を有する。また速度の大きい電気工学スイッチング素子および音響光学スイッチング素子に比べて、外部からのエネルギ供給が必要ないが、いくらかスイッチング時間が長くなる。
【０００５】
これに関連するものとして例えば、論文または刊行物 M.Shirasaki, H.Nakajima, T.Obokata, K.Asama, "Non-Mechanical Optical Switch for Single-Mode Fibers", Appl. Opt. 21, 4229 (1982)； M.Shirasaki, H.Takamatsu, T.Obokata, "Bistable Magnetooptic Switch for Multimode Optical Fiber", Appl. Opt. 21, 1943 (1982)； M.Shirasaki et al., "Magnetooptical 2*2 switch for single-mode fibers", Appl. Opt. 23, 3271 (1984)； M.Shirasaki, "Faraday Rotator Assembly", 1986（米国特許第４６０９２５７号明細書）；S.Takeda, "Faraday rotator device and optical switch containing same", 1991（ヨーロッパ特許第０３８１１１７号明細書）；M.Shirasaki, "Faraday rotator which generates a uniform magnetic field in a magnetic optical element", 1998（米国特許第５８１２３０４号明細書）などを挙げておく。
【０００６】
これらの文献は双安定磁気光学ファラデー回転子を示しており、この素子は持続的なエネルギ供給の必要はなく、エネルギは２つの安定状態を切り換える過程のあいだだけ必要となる。こうした双安定性はここでは磁気ヒステリシス、すなわち飽和磁化後に所定の磁化状態にとどまる所定の磁気材料の能力に基づいている。この作業に使用される磁気光学材料（ＭＯ材料）は鉄ガーネットの混合物から成っている。この材料は矩形のヒステリシスループは有さず、したがって外部に磁気が存在しなければ磁化されないままである。
【０００７】
双安定性を形成するために、ＭＯ材料は半硬質の磁気材料から成るコアを備えた電磁石の磁界内へ配置される（M.Shirasaki et al., "Magnetooptical 2*2 switch for single-mode fibers", Appl. Opt. 23, 3271 (1984)を参照）。コアは所定の極性で巻線を通って流れる電流パルスにより飽和にいたるまで磁化される。パルスの終了後にはコアもＭＯ材料も磁化された状態となり、ＭＯ材料を通過する光の偏光面を回転させる。電流極性の変更は偏光面の回転方向の変化を生じさせる。２つの状態は安定であり、システムはそれ以上のエネルギを取り込まない。
【０００８】
発生した光の不規則な偏光変化を生じさせる磁界の反転中、回転子内の磁壁のシフトを回避するために、付加的な磁界が導入される（M.Shirasaki, "Faraday Rotator Assembly", 1986：米国特許第４６０９２５７号明細書およびM.Shirasaki, "Faraday rotator which generates a uniform magnetic field in a magnetic optical element", 1998：米国特許第５８１２３０４号明細書を参照）。この磁界は磁石により形成され、回転子を単磁区状態に維持する。電磁石の磁界は磁化回転のみに作用し、磁区構造には影響を与えない。
【０００９】
この場合の欠点は磁化方向の切換、特に極性の回転方向の切換が緩慢であることである。ヨーロッパ特許第０３８１１１７号明細書"Faraday rotator device and optical switch containing same", 1991 によれば、実施例２でのスイッチング時間は約５００ｍｓである。M.Shirasaki et al., "Non-Mechanical Optical Switch for Single-Mode Fibers", Appl. Opt. 21, 4229 (1982)ではスイッチング時間は約１０μｓである。このように比較的長いスイッチング時間は電磁石のコイルの約７ｍＨの大きなインダクタンスと関連している。永久磁石と他のコンフィグレーションとが例えば米国特許第５８１２３０４号明細書に記載されているように使用される場合、電磁石の磁界はきわめて高い値を有さなければならない。なぜなら磁化回転ごとに永久磁石により形成される飽和磁界を達成しなければならないからである。このため必然的に上述の１０μｓよりも格段に大きいスイッチング時間が生じる。周知のスイッチング素子の別の欠点は電磁石のコアの寸法によって定められる素子の大きさである。さらに回転子のマルチ安定動作が不可能であることが挙げられる。
【００１０】
本発明の課題は、冒頭に言及した形式の前述の公知の磁気光学スイッチング素子の欠点を回避し、特にスイッチング時間、必要なスイッチングエネルギ、およびスイッチング素子の寸法全体を低減し、有利には複数のスイッチング状態を有するマルチ安定動作が可能となるようにすることである。
【００１１】
この課題は、本発明によれば、冒頭に言及した形式の磁気光学スイッチング素子において、回転子は外部の磁界が印加されない各安定状態で２つの方向の磁区を有しており、磁区の磁壁は外部の磁界を印加することによる一方から他方への安定状態の切換の際に付加的な磁区を形成することなく運動可能であることにより解決される。このようにして得られるスイッチング素子は簡単に種々の安定状態を形成することができ、素子はこの安定状態に無期限にエネルギの収容なくとどまることができる。各安定状態間の移行はナノ秒領域で、しかも赤外線領域での僅かな光損失のみで発生し、きわめて僅かなスイッチングエネルギしか必要なくなり、全体でもきわめて小さな寸法のみで構成できる。
【００１２】
矩形のヒステリシスループを備えた磁気光学材料、すなわち外部の磁界が存在しない場合にも磁化された状態にとどまる材料が知られている。例えばオルソフェライトがこうした材料群の代表である。オルソフェライトは弱い強磁性磁石であり、磁化が僅かな労力で得られることときわめて高い一軸の磁気異方性とが特徴である。オルソフェライトは光学的には二軸の結晶である。ファラデー回転の大きな角度は結晶性の２重屈折が生じない場合、つまり光が結晶の光軸に沿って伝搬した場合にのみ実現される。この場合に、ファラデー回転と吸収との比である高い出力数値ＦＭが生じる。可視光の領域および赤外線領域の近傍部分（光通信技術に対して重要な波長１．５５μｍを含む）にはオルソフェライトは全ての磁気光学結晶のうち最良のＦＭ値を有する。オルソフェライトの重要な利点は、他の磁気材料に比べて２０ｋｍ／ｓのきわめて高い磁壁速度が得られることである。
【００１３】
オルソフェライトの高い保磁力は光アイソレーションモードでの重要な利点の１つである。ただし光スイッチ、シャッタ、空間分解能を有する光変調器、光減衰器などダイナミックに発展している適用分野では、高い磁界強度を要求する高い保磁力が欠点となる。高い保磁力は同じ方向へ磁化された磁区を必要とするからである。磁化が飽和へ達するとそれぞれ回転子の安定状態が達成され、このときには唯一の磁区のみが存在し反対方向の磁区は存在しなくなる。反対方向の磁区を回転させるには高い磁界が必要となる。しかも飽和磁化の方向が２つであることにより、外部磁界の遮断後にも変化しない２つの安定状態しか存在しない。
【００１４】
本発明による回転子の動作形態は、外部磁界の遮断後にも変化しない回転子の安定状態にすでに２つの方向の磁区が存在する（すなわち異なる方向を有する少なくとも２つの磁区がすでに存在する）ことにより従来技術を改善している。２つの磁区方向が存在することにより磁区形成の問題点は解決され、必要な磁界の低減またはスイッチング時間の低減が得られる。これを達成するために、本発明の有利な実施形態によれば、不均一部または格子偏差が回転子内に構成される。
【００１５】
この種の不均一部は磁気光学メモリの開発と関連してすでに利用されている。論文 Te-Ho Wu et al., "Magnetic domain pinning in patterned magneto-optical material", J.Appl.Phys. 85, 1999, 5980-5982；S. Gadetsky, J.K. Erwin, M. Mansuripur, T.Suzuki, "Magneto-optical recording on patterned substrates", J.Appl.Phys. 79, 1996, 5687 には基板とその上方に配置された磁気光学材料から成る薄膜とがパターニングされることが示されている。得られる構造の縁は磁区の制限部材として利用される。ロシア連邦共和国特許出願第２０２９９７８号明細書によれば、平坦な底部を有する凹部の形態の不均一部が光磁性薄膜材料内で個別の磁区領域を得るために使用される。これらのケースでは個々の磁区は所定の領域で、光磁性膜の被着される担体材料の厚さまたは光磁性膜自体の厚さを変更することにより調製される。この種の変更は、１ｍｍの数分の１の寸法の凹部を結晶での光の品質において平坦な底部を有するように製造することができないため、結晶固体では事実上不可能である。さらに前述の各ケースでは、磁区方向を切り換えるためにまず反対方向の磁区を形成する必要があり、このため比較的強い磁界を必要とするという上述の欠点が再びここでも発生してくる。
【００１６】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第２８３９２１６号明細書には、切換を開始するためにいちいち反対方向の磁区を形成する必要のない磁気光学変調器が記載されている。磁気的に一軸の光磁性膜はアイランド状の複数の領域へ分割されており、これらの領域は磁気的に相互に分離されている。各アイランドは相互に異なる配向状態を有する複数の磁区を有している。アイランド間の磁気作用の欠如により各アイランドをそれぞれ容易に個別に扱うことができ、小さなコイルでそれぞれのアイランドに直接に作用を及ぼして磁化することができる。外部の磁界が存在しない場合には個々のアイランドは減磁されているので、磁化過程は磁壁の運動の際に発生する。ただし所定の装置ではこのことは回転子が外部の磁界なしに状態を維持する本来の安定状態の欠如を意味する。外部の磁界が遮断されると反対方向に磁化された磁区の拡がりは相互に等しくなり、これらのアイランドのファラデー回転全体は０となる。
【００１７】
これに対して本発明によれば、主たる課題として要求される不均一部は設定された位置に存在する磁区の磁壁を固定すれば得られる。これにより切換の際には存在している磁壁のみを運動させればよく、付加的に最初に反対方向の符号を有する磁区を形成する必要はない。本発明の不均一部は、磁壁が外部磁界の遮断後にも（回転子の所望の安定状態に相応する）状態を維持すべき位置でだけ必要となり、従来技術で説明されているように存在する磁区の全領域をカバーしていなくてもよい。
【００１８】
不均一部は例えば結晶表面の狭い切欠から形成される。切欠は磁気エネルギの新たな局所的最小値となり、磁壁を固定する。これにより磁区構造は外部磁界が遮断されると定められた状態で維持される。切欠の深さに依存して所定の磁区構造の保磁力が制御される。すなわち磁区を切欠から遠ざけるのに必要な磁界の大きさが制御される。種々の切欠または一般的な格子偏差の組を試験してみると、磁壁の種々の固定点が形成され、回転子ないしスイッチング素子の種々の安定状態が得られる。
【００１９】
本発明の別の特徴および利点を以下に個別に部分概略図に則して説明する。図１には本発明のマルチ安定型スイッチング素子が示されている。図２には本発明のスイッチング素子に使用される永久磁石を備えたマルチ安定型回転子が示されている。図３には光スイッチとして用いられる本発明のマルチ安定型スイッチング素子が示されている。図４にはシャッタとして用いられる相応のスイッチング素子が示されている。
【００２０】
図１には概略図として本発明のオルソフェライト結晶プレート１を備えた回転子の実施例が示されており、この回転子は表面の切欠１０の３つの組２、３、４を格子偏差として備えている。結晶プレート１は光軸に対して垂直に切断されており、矢印ａはａ結晶軸の方向を示している。１つの組２は磁区の平衡状態に相関している。切欠１０間の間隔はそれぞれ等しく、プレート内の磁区の平衡幅に相応している。別の組３はプレートの部分的な正の磁化状態に相応している。この組は組２の切欠１０の交互の側方に種々の間隔で切欠１０を有する。磁区構造を変更するために、パルス化された外部の磁界が印加される。パルスの期間中は印加された磁界の方向に配向される磁区が反対方向の磁区に取って代わりながら増大する。パルスの振幅および持続時間が充分に大きい場合、磁壁は組３の切欠１０に達し、ここで磁壁が固定される。パルスの終了後、磁区は回転子が安定状態となる位置にとどまる。元の状態へ戻すためには、反対方向の磁気パルスを印加しなければならない。組３と同様に反対方向の組４も形成される。これによって別の安定状態が形成される。このようにして組２とは異なる間隔の切欠１０を有する種々の組を設けることができ、これによりスイッチの多数の安定状態が定義される。
【００２１】
磁界のパルスの振幅および持続時間は切欠１０の間隔に依存して選定される。振幅がきわめて小さかったりまたは持続時間がきわめて短かったりする場合、磁壁は次の切欠の組に達することができず、パルスの終了後に初期位置へ戻ってしまう。振幅がきわめて大きかったりまたは持続時間がきわめて長かったりする場合には磁壁は必要以上に漂遊し、パルスの終了後に当該の切欠へ戻ってしまう。
【００２２】
図２に示されている本発明の別の実施例では、磁区を固定するために設けられる切欠と不均一な磁界とが組み合わされる。当該の磁界は永久磁石５によって形成され、磁区構造を固定するために利用される。このようにしてこの実施例では回転子のダイナミック特性が拡張される。磁壁の運動速度は磁界が増大するにつれて増大する（速度の帯域幅が広い場合にはこれらの値の間に比例関係が得られる）。スイッチング時間が短くなるにつれて磁界パルスを強くしなければならない。ただしあまりに磁界が強いと不可逆の磁区移動が発生することがあり、例えば新たな磁区が形成されてしまう。勾配磁界を印加することにより磁壁は安定し、その運動が制限される。勾配磁界は小さな永久磁石の２つの組により形成される。各組によって形成された磁界はそれぞれ反対の極性を有しており、回転子は２つの磁区に分割される。他方の磁界が存在しなければ、磁壁は勾配磁界のゼロ交差（磁界曲線のゼロ点）の位置に存在する。これはスイッチの所定の安定状態（図１の組２に相応する状態）である。この線の両側に切欠が設けられる。これらの切欠はゼロ磁界曲線に平行な直線を表している。磁界パルスの作用しているときには磁壁は所定の切欠に達する。固定が充分に強く行われれば、磁壁は当該の切欠にパルスの終了後にとどまる。これにより切欠の組に相応する安定状態が生じる。
【００２３】
外部の磁界の帯域幅が大きい場合には、磁区の偏光レベルの回転の絶対値は磁界の大きさに依存しない。したがって回転子の機能は外部磁界の不均一性によっても損なわれない。
【００２４】
安定状態間の磁区構造の変更は規則的な特性を有する。この特性は磁壁がシフトされる際に見られ、望ましくない光の変動を生じない。
【００２５】
回転子の最短のスイッチング時間は主として個別の磁界パルスの最小持続時間によって制限される。すなわちそれはナノ秒領域である。
【００２６】
図３にはマルチ安定光学回転子に基づくスイッチングスキーマが示されている。オルソフェライトプレート１の厚さは偏光器７を通る光の偏光面が４５°だけ回転されるように選定されている。回転の符号はこの光の通過する磁区に依存する。光の通過方向に対して反平行の磁化状態を有する磁区を通る光は時計回りに回転する。偏光分離素子６を通過した後、光は水平方向で伝搬する。光が反対方向に磁化された磁区を通過すると偏光面は−４５°回転し、偏光分離素子６を通過した後にこの光は垂直方向で伝搬する。
【００２７】
図４にはマルチ安定型回転子をベースにしたシャッタの概略図が示されている。ａ）の場合には偏光された光ビームが分析器８により消去される。ｂ）の場合には光ビームの一部、すなわち光の通過方向に対して平行に磁化された磁区を通る成分が分析器８を通って伝搬する。ｃ）の場合には全光ビームが分析器８を通過する。
【００２８】
冒頭で既に言及したように、表面の切欠に代えて回転子の結晶内に磁区を安定させるための他の格子偏差を設けることができる。これは例えば結晶内部に設けられた中空部、外部影響、または領域ごとのドーパント濃度の変更などによって行われる。結晶全体にわたって線形に延在するこの種の格子偏差に代えて、他の形状または構造を構成してもよい。例えば領域を制限したり、破線を設けたりすることによってこの種の格子偏差を構成することもできる。ここで保証しなければならないのは、当該の領域が磁壁を外部の磁界の遮断後に固定するのに適していなければならないという点のみである。このように磁気光学スイッチング素子に得られる所定の安定状態では２つの符号が回転子結晶内に存在することにより、本発明の前述の利点は完全に達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のマルチ安定型スイッチング素子を示す図である。
【図２】  本発明のスイッチング素子に使用されるマルチ安定型回転子を示す図である。
【図３】  光スイッチとして用いられる本発明のマルチ安定型スイッチング素子を示す図である。
【図４】  シャッタとして用いられる本発明のマルチ安定型スイッチング素子を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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