DE69020625T2 - Optisches System. - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft optische Systeme.
Hintergrund der Erfindung
• Es ist bekannt, daß optische Materialien, die den Faraday-Effekt (d.h. magnetische zirkulare Doppelbrechung) aufweisen, zur Erfassung magnetischer Felder einsetzbar sind. Dies bedeutet, daß, wenn ein Strahl linear polarisierten Lichtes durch einen dunnen Film von magneto- optischem Material tritt, welches sich quer zur Ausbreitungsrichtung erstreckt, wenigstens ein Teil des Lichtstrahls durch eine oder mehrere magnetische Domänen tritt, die jede in der Lage sind, die Polarisation dieses Abschnitts des Strahls, der diese schneidet, zu drehen. Es ist beachtlich, daß die durch irgendeine derartige Domäne erzeugte Drehung im allgemeinen von der Drehung des umgebenden Materials, falls durch dieses eine solche verursacht wird, verschieden ist. Somit kann die Polarisation oder Nettopolarisation eines Lichtstrahls durch sich seitlich bewegende magnetische Domänen oder durch sich seitlich ausdehnende oder zusammenziehende magnetische Domänen, um einen größeren oder kleineren Abschnitt des Lichtstrahls zu durchtreten, geandert werden. Eine derartige Bewegung wird auf einfache Weise durch Einwirken lassen eines magnetischen Feldes auf das Material erzeugt, und die sich ergebenden Polarisationsanderungen werden auf einfache Weise gemessen. Im Ergebnis waren Praktiker in der Lage, diese Wirkungen zur Erfassung von magnetischen Feldern einzusetzen.
• Diese Verfahren sind jedoch relativ unempfindlich, da der Lichtstrahl lediglich durch eine dünne Schicht von magneto-optischem Material tritt, wodurch er eine relativ geringe Polarisationsdrehung erfährt. Bisher waren Praktiker nicht in der Lage, einen magneto-optischen Detektor für magnetische Felder bereitzustellen, welcher ein sich längserstreckendes magneto-optisches Material umfaßt.
• Es ist festzuhalten, daß eine Dünnfilmeinrichtung mit versetzbaren magnetischen Domänenwänden im US-Patent 4 079 460, erteilt am 14. März 1978 mit dem Titel "Device Operating with the Displacement of Magnetic Domain Walls", beschrieben sind.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein optisches System, wie in Anspruch 1 definiert, bereitgestellt.
• Die Erfindung umfaßt ein optisches System, in welchem elektromagnetische Strahlung von einer Quelle durch ein magnetisierbares Medium zu einem Detektor tritt. Innerhalb des Mediums liegt wenigstens eine magnetische Domänenwand, die wenigstens zwei benachbarte Bereiche des Mediums derart trennt, daß Licht, welches sich von der Quelle zum Detektor ausbreitet, durch die beiden benachbarten Bereiche und die diese trennende Domänenwand tritt. Darüber hinaus spricht die Stellung in Längsrichtung, d.h. entlang der Ausbreitungsrichtung, der Domänenwand auf externe, an das Medium angelegte magnetische Felder an. Als Folge hängt die Netto-Faraday-Drehung, die das durch das Medium tretende polarisierte Licht erfährt, von dem angelegten magnetischen Feld ab.
Figurenbeschreibung
• Fig. 1 zeigt schematisch ein beispielhaftes optisches System mit einem erfindungsgemäßen Wellenleiter.
• Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung des magnetischen Vorfeldes als Funktion der Stellung relativ zum Wellenleiter des optischen Systems von Fig. 1.
• Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Wellenleiters des optischen Systems von Fig. 1.
Detaillierte Beschreibung
• Mittels einer Anordnung von Permanentmagneten oder einem Elektromagneten kann man auf einfache Weise eine Magnetfeldanordnung erzeugen, welche hier als "vorfeld" bezeichnet wird, die ein Stück eines Materials so magnetisiert, daß in dem Material wenigstens zwei benachbarte magnetische Domänen erzeugt werden, die durch eine oder mehrere Domänenwände getrennt sind, und wobei wenigstens eine der Domänen eine Magnetisierungskomponente Parallel oder antiparallel zur optischen Ausbreitungsrichtung hat. (Eine magnetische Domäne ist ein Bereich innerhalb eines Materials, der in einer gleichförmigen Richtung in diesem Bereich magnetisiert ist. Eine Domänenwand ist ein Bereich in dem Material, der zwei verschiedene magnetische Domänen trennt und in dem sich die Magnetisierung kontinuierlich von einer Domäne zur anderen ändert. Eine Domänenwand in beispielsweise Yttriumeisengranat, ebenfalls bekannt als YIG, ist typischerweise ungefähr 1000 Å dick.) Da entgegengesetzt polarisierte Domänen entgegengesetzte optische Drehungen erzeugen, ist die &ettodrehung, die beispielsweise durch zwei entgegengesetzt magnetisierte Domänen tretendes Licht erfährt, abhängig von der Wegdiff erenz, d.h. die Differenz der optischen Weglängen in den beiden Domänen. Die Wegdifferenz wird auf einfache Weise geändert durch Einwirken lassen eines externen magnetischen Feldes, d.h. des zu detektierenden magnetischen Feldes, auf das Materialstück zusätzlich zu dem Vorfeld. In Ansprechen auf das externe Feld bewegt sich die Domänenwand, wobei die Länge erhöht wird, die in einer Domäne durchlaufen wird, und die Länge vermindert wird, welche in der anderen Domäne durchlaufen wird. In Folge wird die optische Nettodrehung von diesem Wert geändert, wenn ein externes magnetisches Feld existiert. Da die Richtung und der Abstand, über welchen sich die Domänenwand bewegt, von der Orientierung und Stärke des externen Feldes abhängt, kann die sich ergebende Änderung der optischen Drehung auf einfache Weise verwendet werden, um die Größe einer Komponente des externen Feldes, d.h. die die Bewegung der Domänenwand verursachenden Komponente, gemessen werden.
• Obwohl die vorstehend beschriebene Wirkung in Volumen bzw. Vollmaterialien einfach zu zeigen ist, wird es bevorzugt, magnetisierbares, optisch transparentes Material in Form eines Dünnfilmwellenleiters zu verwenden. Wenn Vollmaterial verwendet wird, ist es nötig, Linsen einzusetzen, um das Licht durch den magneto-optisch aktiven Bereich zu führen. Wenn jedoch ein Dünnfilmwellenleiter verwendet wird, sind Linsen nicht nötig. Statt dessen kann ein Dünnfilmwellenleiter auf einfache Weise in einer optischen Kommunikationsstrecke mit einer Lichtquelle und einem Lichtdetektor, beispielsweise mittels einer optischen Faser oder eines Paares von optischen Fasern, angeordnet werden. Als Folge können Dünnfilmwellenleiter anstelle von Volumenmaterial einsetzenden Einrichtungen auf einfache Weise miniaturisiert werden.
• Es ist weiter zu bevorzugen, daß der Dünnfilmwellenleiter im wesentlichen frei von linearer Doppelbrechung für eine oder einige Moden der optischen Ausbreitung bei der speziellen Wellenlänge des verwendeten Lichtes ist. Dies heißt, die für die lineare Doppelbrechung in diesen Filmen gefundenen Faktoren, beispielsweise YIG, wurden identifiziert. Einer dieser Faktoren ist das, was hier "lineare Formdoppelbrechung" genannt wird und im Englischsprachigen als "Shape Linear Birefringence" bezeichnet wird, die bei Anwesenheit von Diskontinuitäten im Brechungsindex an der Film-Luft- und Film-Substrat- Grenzfläche auftreten. Diese Diskontinuitäten beeinflussen die TM-Polarisationskomponente anders als sie die TE- Polarisationskomponente beeinflussen, welches eine effektive Brechungsindexanisotropie im Film erzeugt. In bedeutender Weise steigt die Höhe der linearen Form-Doppelbrechung an, wenn die Dicke des Films abnimmt. Ein zweiter Faktor, der gemeinhin als spannungsinduzierte, lineare Doppelbrechung bezeichnet wird, beruht auf einer Gitterfehlanpassung zwischen dem Film und dem Substrat. Diese Fehlanpassung übt auf den Film entweder eine Druck- oder Zugspannung in der Ebene des Films aus, welche ebenfalls die Wirkung des Erzeugens einer Brechungsindexanisotropie im Film hat. Generell ist die Größe der spannungsinduzierten linearen Doppelbrechung unabhängig von der Filmdicke. Ein nochmals dritter Faktor, der üblicherweise als aufwachsinduzierte, lineare Doppelbrechung oder im Englischen als "Growth Induced Linear Birefringence" bezeichnet wird, beruht auf einer nicht-zufälligen Verteilung bestimmter Ionen im Filmkristallgitter, welches durch herkömmliche Techniken, die zum epitaxialen Aufwachsen von Filmen an Substraten eingesetzt werden, erzeugt wurde. Dies bedeutet im Falle von beispielsweise YIG-Filmen, daß das Y- (Yttrium-) Kation häufig teilweise ersetzt ist durch eines oder mehrere verschiedene Kationen, beispielsweise Bi oder Nd, um die Eigenschaften des Films zu ändern. Wenn ein derartiger Film an einem Substrat unter Verwendung herkömmlicher Techniken aufgewachsen wird, beispielsweise mittels Flüssigphasenepitaxie (LPE), dann ist die sich ergebende Verteilung der ersetzten Kationen in der Richtung senkrecht zur Ebene des Films verschieden von der entsprechenden Verteilung in der Ebene des Films. Dieser Unterschied in den Kationenverteilungen gibt ebenfalls Anlaß zu einer Brechungsindexanisotropie. Wie bei der spannungsinduzierten linearen Doppelbrechung ist die Größe der aufwachsinduzierten linearen Doppelbrechung generell unabhängig von der Filmdicke.
• In vielen Fällen ist das Vorzeichen der spannungsinduzierten und/oder aufwachsinduzierten linearen Doppelbrechung demjenigen der linearen Form-Doppelbrechung entgegengesetzt. Somit können diese verschiedenen Quellen linearer Doppelbrechung verwendet werden, um einander auszulöschen oder um eine lineare Nettodoppelbrechung gleich Null zu erzeugen.
• Beispielsweise beschreibt R. Wolfe et al. in "Thin- Film Garnet Materials with Zero Linear Birefringence for Magneto-Optic Waveguide Devices (Invited)", J. Applied Phys., Band 63 (1988), Seiten 3099-3103, ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilm-Wellenleiter- Polarisationsdrehers, der im wesentlichen eine lineare Netto-Null-Doppelbrechung erreicht.
• Wolfe et al. berichten, daß in epitaxialen Granatfilmen die lineare Netto-Doppelbrechung auf niedrige Werte gesenkt werden kann durch
• (1) Aufwachsen von Einmoden-Mehrlagenfilmen zum Minimieren des Formeffekts,
• (2) Aufwachsen der Filme unter Druck, um die spannungsinduzierten Wirkungen zu steuern, und
• (3) Wärmebehandeln bzw. Annealen bei hohen Temperaturen zum Eliminieren des aufwachsinduzierten Effekts.
• Die verbleibende Doppelbrechung kann auf Null gesenkt werden durch so dickes Aufwachsen der oberen aktiven Schicht, daß der Formeffekt an Größe kleiner ist als der Spannungseffekt und danach dessen Verdünnen durch chemisches Ätzen, bis die Wirkungen sich bei einer bestimmten Wellenlänge exakt auslöschen. Ein alternatives Verfahren besteht darin, mit einer dünnen oberen Schicht so zu beginnen, daß die Größe des Formeffektes relativ hoch ist und dann eine dielektrische Schicht, wie beispielsweise Siliciumnitrit, der geeigneten Dicke abzuscheiden, um den Formeffekt so zu vermindern, daß er den Spannungseffekt exakt auslöscht.
• Falls im wesentlichen keine Doppelbrechung vorhanden ist, ist die optische Drehung in jeder magnetischen Domäne proportional zu der in dieser Domäne zurückgelegten Strecke. In entsprechender Weise ist die Änderung der optischen Nettodrehung aufgrund eines Versatzes einer Domänenwand proportional zum Versatz. In linear doppeltbrechendem Material ist andererseits die optische Drehung nicht proportional zur in jeder Domäne zurückgelegten Strecke. Statt dessen hat, wie festgestellt, die optische Drehung eine oszillatorische Abhängigkeit von der durchlaufenen Strecke und ist durch eine relativ niedrige Spitzenamplitude begrenzt. Folglich erzeugen, wenn optische Wellenleiter, die im wesentlichen linear doppeltbrechend sind, externen magnetischen Feldern ausgesetzt werden, diese Änderungen der optischen Drehung erzeugen, die auf relativ niedrige Werte beschränkt sind. Ferner sind die entsprechenden Versetzungen der Domänenwände nur dann wirksam, falls diese auf einen relativ geringen Bruchteil beschränkt werden, beispielsweise auf ein Viertel einer doppeltbrechenden Periode.
• Fig. 1 zeigt ein beispielhaftes optisches System, welches als Magnetometer gemäß vorliegender Erfindung nützlich verwendet werden kann. Dieses System umfaßt einen magnetisierbaren optischen Dünnfilmwellenleiter 310, der beispielsweise in Form einer Rippe oder eines Grates (wie dargestellt) an der oberen Oberfläche eines Substrats 320 ausgebildet ist. Das System umfaßt ebenfalls eine Lichtquelle 330, die optisch an den Wellenleiter 310 entweder durch direkte optische Transmission durch die Luft oder vorzugsweise mittels einer optischen Faser 340 an den Wellenleiter 310 gekoppelt ist. Das System umfaßt ferner einen optischen Detektor 350, der ebenfalls an den Wellenleiter 310, entweder durch Transmission durch die Luft oder vorzugsweise mittels einer optischen Faser, gekoppelt ist. Falls der Detektor 350 mittels einer optischen Faser optisch angekoppelt ist, kann entweder eine separate Faser verwendet werden, oder der Detektor 350 kann durch die gleiche Faser wie die Quelle, beispielsweise durch eine Faser 340, gekoppelt werden. Im Betrieb wird der Wellenleiter 310 einem magnetischen Vorfeld, das durch Vormagnete 360 und 370 erzeugt wird, ausgesetzt. Das Vorfeld erzeugt entgegengesetzt magnetisierte magnetische Domänen 380, 390, welche durch die Domänenwand 400 getrennt sind. Licht von der Quelle 330, welches den Wellenleiter 310 betritt, ist anfänglich linear polarisiert, entweder durch Hindurchtretenlassen des Lichtes durch eine polarisierende optische Faser oder durch dessen Hindurchtretenlassen durch eine polarisationserhaltende Faser, falls die Quelle 330 polarisiertes Licht bereitstellt, oder durch sein Hindurchtretenlassen durch einen Polarisator 410. (Die Anordnung und Funktion des Polarisators 410 ist nachfolgend beschrieben.) Licht, welches aus dem Wellenleiter 310 tritt, nachdem dieses eine optische Nettodrehung erfahren hat, wird analysiert, beispielsweise durch das Hindurchtretenlassen durch eine optische Faser, durch das Hindurchtretenlassen durch einen Polarisator oder durch direkte Analyse des Verhältnisses der Intensitäten der zwei durch eine polarisationserhaltende Faser hindurchgetretenen optischen Moden. Das Licht tritt vorzugsweise doppelt durch den Wellenleiter mittels Reflexion von der verspiegelten Fläche 420 und tritt aus und wird analysiert durch den gleichen Polarisator, welcher das eintretende Licht polarisiert hat, d.h. durch den Polarisator 410.
• Der optische Dünnfilmwellenleiter 310 hat seine einfache Richtung der Magnetisierung parallel zur Ausbreitungsrichtung des Wellenleiters. Ein derartiger Wellenleiter ist einfach herzustellen, beispielsweise durch Aufwachsen eines epitaxialen Films von YIG an einem Substrat aus Gadoliniumgalliumgranat, das ebenfalls als GGG bekannt ist. Es ist festzuhalten, daß optisches Tunneln im YIG stattfindet, da YIG bei den nützlichen Wellenlängen einen Brechungsindex hat, der größer als der von Luft und der von dem darunterliegenden Substratmaterial GGG ist.
• Um ein Paar entgegengesetzt magnetisierter Domänen zu erzeugen, muß das Vorfeld eine Richtung an einer Position in Längsrichtung innerhalb des Wellenleiters ändern. (Zum Zwecke dieser Beschreibung bedeutet "Längsrichtung" die Richtung entlang der Richtung der optischen Ausbreitung.) Die Vormagneten oder Magneten 360 und 370, welche das Vorfeld erzeugen, sind derart angeordnet, daß die Umkehrung nicht abrupt stattfindet, sondern über eine finite Länge innerhalb des Wellenleiters sanft auftritt. Dies bedeutet, daß ein Bereich innerhalb des Wellenleiters existiert, der hier der "Gradientenbereich" genannt wird, über welchen das Vorfeld sanft von einer Maximumamplitude auf Null fällt, die Richtung umkehrt und wieder auf eine Maximumamplitude (in der umgekehrten Richtung) ansteigt als Funktion der Stellung in Längsrichtung innerhalb des Wellenleiters (s. Fig. 2). Innerhalb des Gradientenbereichs hat das Vorfeld einen begrenzten, obwohl generell räumlich abhängigen Gradienten in Längsrichtung. Die stabile Stellung einer Domänenwand ist die Stellung innerhalb des Gradientenbereichs, an welcher das Magnetfeld Null ist. Zum Zwecke dieser Beschreibung wird der Punkt an der Längsachse, an welchem das Magnetfeld Null ist, der "Kreuzungspunkt" genannt. Somit bestimmt der Ort des Kreuzungspunktes den stabilen Ort der entsprechenden Domänenwand.
• Der Kreuzungspunkt unterliegt einer Längsversetzung bzw. einer Versetzung in Längsrichtung, wenn ein externes magnetisches Feld, d.h. das zu detektierende Feld, mit einer Komponente in Längsrichtung dem Vorfeld hinzuaddiert wird. Der Versatz ist von dem Bereich, in welchem das Vorfeld parallel zum externen Feld ist, zu dem Bereich gerichtet, bei welchem das Vorfeld zum externen Feld antiparallel ist. Wann immer ein Kreuzungspunkt einem derartigen Versatz unterliegt, unterliegt die an dem Kreuzungspunkt angeordnete Domänenwand einem entsprechenden Versatz. Die Wirkung in einem ferromagnetischen Material, wie beispielsweise YIG, besteht für eine magnetische Domäne, die parallel zum externen Feld magnetisiert ist, darin, auf Kosten einer benachbarten Domäne, die antiparallel zum externen Feld magnetisiert ist, zu wachsen.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Wellenleitermedium ein YIG-Film, der epitaxial an einem GGG-Substrat aufgewachsen ist. Das Brechungsindexprofil des YIG-Films wird angepaßt, um ein lokales Wellenleitermaximum zu erreichen, wie es beispielsweise im US-Patent 4 762 384 beschrieben ist. Falls diese Bedingung erfüllt ist, besteht lediglich eine oder einige geführte Moden bei der interessierenden Wellenlänge, und als Folge sind die Moden, welche sich innerhalb des Wellenleiters aufbreiten können, auf diejenigen beschränkt, für welche der Wellenleiter im wesentlichen frei von linearer Doppelbrechung ist. Wie im vorstehend beschriebenen Patent erläutert, kann ein YIG-Film mit einem lokalen Wellenleitermaximum auf einfache Weise entweder durch Bereitstellen einer YIG-Schicht mit einem sich kontinuierlich ändernden Brechungsindexprofil oder durch Bereitstellen von wenigstens zwei zusammenhängenden YIG- Schichten von gleichförmiger Zusammensetzung, jedoch verschiedenen Brechungsindizes, wodurch ein diskontinuierliches Brechungsindexprofil definiert wird, hergestellt werden.
• Wie im US-Patent 4 762 384 beschrieben, kann das Auflösungsvermögen des Wellenleiters für den erwünschten Mode weiter durch Einbringen einer Schicht zwischen den wellenleitenden YIG-Film und das GGG-Substrat erhöht werden, welche selektiv alle Moden bis auf diejenigen absorbiert, welche allein durch die erwünschte Wellenleiterschicht, d.h. durch die oberste YIG-Schicht, geführt werden
• Falls beispielsweise ein Zweischichtfilm von YIG eingesetzt wird, wie in Fig. 3 dargestellt, ist die Bodenschicht 4 beispielsweise ungefähr 4 um dick und ist epitaxial an einem GGG-Substrat 320 aufgewachsen. Die obere Schicht 440, welche beispielsweise 3,5 um dick ist, ist an der Bodenschicht 430 aufgewachsen und hat einen geringfügig höheren Brechungsindex, d.h. einen Brechungsindex, der wenigstens 0,1 %, aber nicht mehr als 5 % höher ist. Die obere Oberfläche des YIG-Films ist beispielsweise geätzt, um eine Rippe (die somit als der Wellenleiter dient) auszubilden mit Abmessungen von beispielsweise 10 um Breite und 0,5 um Höhe. Ein Polarisator 410 ist auf einfache Weise in den Film integriert. Der Polarisator 410 umfaßt einen Metallfilm, beispielsweise einen Aluminiumfilm, der typischerweise 1 mm lang und 0,1 um dick ist, von dem Dünnfilmwellenleiter durch eine Abstandsschicht, beispielsweise Siliciumdioxid, beabstandet ist. Die Dicke der Abstandsschicht, typischerweise ungefähr 0,05 um, ist so ausgebildet, daß die evaneszenten Felder der geführten Moden in den Metallfilm eintreten, der in dem Sinne als Polarisator wirkt, daß er bevorzugt den TM-Mode absorbiert. Alternativ kann auf einfache Weise ein Polarisator mit dem Ende der optischen Faser 340 dem Wellenleiter 310 benachbart (s. Fig. 1) durch Schneiden einer Nut oder einer Stufe mit einem flachen Boden in die Ummantelungsschicht der Faser 340 und Abscheiden eines Metallfilms an dem Boden, der Nut oder der Stufe integriert werden. Das Ende 460 der Rippe, gegenüberliegend dem Polarisatorende 470, ist vorzugsweise poliert und mit Metall beschichtet, um einen Spiegel 420 so bereit zustellen, daß auf das Ende 460 aus dem Inneren des Wellenleiters auftreffendes Licht zurück durch den Wellenleiter in der entgegengesetzten Richtung reflektiert wird. Eine typische Länge des Wellenleiters beträgt ungefähr 5 mm.
• Nachfolgend wird auf Fig. 1 Bezug genommen; die optische Faser 340 ist optisch an das polarisierende Ende des Wellenleiters, beispielsweise durch Anordnen eines Endes der optischen Faser nahe zu, beispielsweise innerhalb einiger weniger optischer Wellenlängen von dem Ende des Wellenleiters, gekoppelt. Das andere Ende der optischen Faser ist an einen optischen 2x2-Koppler 480 angeschlossen. Die Lichtquelle 330, vorzugsweise ein Festkörperlaser zum Injizieren von Licht in den Wellenleiter, ein Bezugsdetektor 490 zum Messen der Intensität des in den Wellenleiter eintretenden Lichtes und ein Signaldetektor 350 zum Messen der Intensität des aus dem Wellenleiter tretenden Lichtes, kommunizieren mit der optischen Faser mittels des Kopplers. Zusätzlich hält ein optischer Isolator 500 zwischen der Lichtquelle 330 und dem Koppler 480 reflektiertes, sich zurück ausbreitendes Licht vom Wiedereintreten in die Lichtquelle ab.
• Vormagneten 360 und 370 sind beispielsweise ein Paar von antiparallelen Stabmagneten. Der Wellenleiter 310 liegt zwischen den Magneten 360 und 370 und innerhalb oder geringfügig oberhalb oder unterhalb der die Magneten enthaltenden Ebene. Der Wellenleiter wird so gedreht, daß die Längsachse des Wellenleiters, d.h. die optische Ausbreitungsachse, die magnetische Mittenlinie, d.h. den Schnitt der Mittenebene der beiden Magneten mit der Ebene des Wellenleiters, kreuzt. Die Längsachse und die magnetische Mittellinie können beispielsweise bei einem Winkel von 15º kreuzen. Der Punkt, an welchem die magnetische Mittenlinie und die Längsachse des Wellenleiters sich schneiden, ist der Kreuzungspunkt. Die Stellung des Kreuzungspunktes entlang der Längsachse wird durch Bewegen des Wellenleiters entlang der magnetischen Mittenlinie eingestellt, während die Drehrichtung des Wellenleiters beibehalten wird. Vorzugsweise wird der Kreuzungspunkt so angeordnet, daß Licht um 22,5º in Transmission vom Polarisator 410 durch den Wellenleiter 310 zum Spiegel 420 und dann nach Reflexion um zusätzliche 22,5º vom Spiegel 420 zurück zum Polarisator 410 gedreht wird, d.h. insgesamt um 45º gedreht wird.
• Eine Nettodrehung von 45º durch das Vorfeld wird bevorzugt, da dieses das höchste Auflösungsvermögen bereitstellt. Dies bedeutet, daß für eine beliebige Drehung zwischen 0 und 90º ein Bruchteil des eintretenden Lichtes, welches durch den Polarisator polarisiert wurde, nach der Drehung im Wellenleiter durch den Polarisator durchgelassen wird, wenn dieses den Wellenleiter verläßt. Das Verhältnis zwischen den beim Austritt durchgelassenen Bruchteil und der optischen Drehung wird ausgedrückt durch:
• Itr/Ient = cos² θ ,
• wobei Itr die Intensität des austretenden, durch den Polarisator durchgelassenen Lichtes, Ient die Intensität des in den Polarisator tretenden Lichtes und θ die Nettodrehung ist. Dieser Ausdruck ändert sich am stärksten mit θ, wenn θ = 55º ist und folglich ist dies dort, wo die Meßtechnik ihre höchste Empfindlichkeit hat. Zusätzlich hat dieser Ausdruck eine ungefähre lineare Abhängigkeit von θ über einen begrenzten Bereich von Werten nahe 45º, wodurch die Interpretation der Messung in diesem Bereich vereinfacht wird. Falls beispielsweise θ zwischen 32,5º und 57,5º liegt, weicht dieser Ausdruck von der Linearität um nicht mehr als 10 % ab.
• Es wurde ferner herausgefunden, daß durch Anordnen des Wellenleiters innerhalb des Magnetfeldbereiches eines Elektromagneten und durch Fließenlassen eines elektrischen Stroms im Elektromagneten man die optische Drehung des sich im Wellenleiter ausbreitenden Lichtes bewußt steuern kann. Somit kann der erfindungsgemäße Wellenleiter als Polarisationssteuereinrichtung verwendet werden. Durch schnelles Bewegen der Domänenwand vor und zurück kann die Polarisation auf einfache Weise moduliert werden.
Beispiel
• Es wurden zwei Schichten von modifizierten YIG epitaxial an einem GGG-Substrat aufgewachsen. Die obere Schicht hatte eine Dicke von ungefähr 3,5 um, während die untere Schicht eine Dicke von ungefähr 4 um hatte. Zusätzlich hatte die obere Schicht einen Brechungsindex, der ungefähr 0,5 % größer als der Brechungsindex der unteren Schicht war. Eine 10 um breite und 0,5 um hohe Rippe wurde in die obere Oberfläche geätzt. Die Schichten und das Substrat wurdenn zu einer Länge von 3 mm geschnitten, und die Enden der Schichten wurden poliert. Licht von einem Farbzentrenlaser bei einer Wellenlänge von 1,5 um wurde durch eine polarisationserhaltende Faser in den TE&sub0;-Mode der oberen Schicht gekoppelt durch Anordnen eines Endes der Faser nahe der Kante des Wellenleiters. Das aus dem entfernt gelegenen Ende des Wellenleiters aus tretende Licht wurde mit einer Mikroskopobjektivlinse kollimiert, durch einen Glan- Thompson-Prismaanalysator geführt und mit einem Germanium- PIN-Detektor erfaßt. Mit den beiden magnetisch in eine Richtung parallel zur Rippe, d.h. parallel zur Längsachse, gesättigten Schichten, so wurde herausgefunden, war das Licht unter 45º zur Eingangsrichtung polarisiert mit einem Extinktionsverhältnis von 15:1, welches anzeigte, daß eine geringfügige lineare Doppelbrechung existierte, welche eine elliptische Polarisation des gedrehten Lichtes in dieser Mode verursachte.
• Ein Paar antiparalleler Stabmagneten, die 2,5 cm lang und 1 cm beabstandet waren, wurden 0,1 cm oberhalb des Rippenwellenleiters angeordnet. Deren Mittellinie wurde um 150 von der Längsachse gedreht, und diese wurden zu einer Stellung bewegt, an welcher das Lichtausgangssignal parallel zum Lichteingangssignal polarisiert war. Die gemessene Längskomponente des magnetischen Feldes als Funktion der Stellung senkrecht zur Längsachse ist in Fig. 2 dargestellt. Mit einer Einstellung des Analysators unter 45º wurde die Intensität des Ausgangslichts gemessen als Funktion eines magnetischen Gleichfeldes in Längsrichtung, das angelegt wurde durch eine zur Ausgangslinse befestigte Spule. Die Ausgangsintensität variierte linear mit diesem angelegten Feld bis zu 18 Oersted (oe) und konnte innerhalb 0,1 oe wiederholt werden, wenn das Feld über diesen Bereich nach oben oder unten verändert wurde. Oberhalb von 18 oe war die Ausgangsintensität nicht mehr linear zum angelegten Feld.

Claims (13)

1. optisches polarisationsdrehendes System, umfassend eine Quelle elektromagnetischer Strahlung (330), einen Detektor elektromagnetischer Strahlung (350), der mit der Quelle kommunizieren kann, ein magnetisierbares Medium (310), derart, daß die Quelle und der Detektor durch Transmission elektromagnetischer Strahlung durch das Medium optisch kommunizieren und eine Einrichtung (360, 370) zum Erzeugen wenigstens einer magnetischen Doinänenwand (400) in dem Medium, die wenigstens zwei benachbarte Bereiche (380, 390) des Mediums trennen,

dadurch gekennzeichnet, daß das Medium relativ zu der Quelle und dem Detektor so angeordnet ist, daß wenigstens ein Anteil der elektromagnetischen Strahlung von der Quelle durch den Detektor lediglich nach dem sequentiellen Durchtreten durch einen der benachbarten Bereiche, dann durch die Doinänenwand und dann durch den anderen der benachbarten Bereiche detektiert wird, wobei die Position der Domänenwand entlang der Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Strahlung bewegbar ist und die Magnetisierung in den wenigstens zwei benachbarten Bereichen in der Ebene der Lichtausbreitung liegt und für jeden der beiden Bereiche unterschiedlich ist.

2. optisches polarisationsdrehendes System von Anspruch 1, bei welchem das Medium ein optischer Dünnfilmwellenleiter ist.

3. optisches polarisationsdrehendes System von Anspruch 2, bei welchem der Wellenleiter im wesentlichen frei von linearer Doppelbrechung ist.

4. optisches polarisationsdrehendes System nach Anspruch 1, bei welchem das Medium eine Zusammensetzung hat, die Eisen und Sauerstoff umfaßt.

5. Optisches polarisationsdrehendes System nach Anspruch 4, bei welchem die Zusammensetzung ferner Yttrium enthält.

6. Optisches polarisationsdrehendes System von Anspruch 2, ferner umfassend eine erste optische Faser mit einem ersten und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende optisch an die Quelle gekoppelt ist und das zweite Ende dem Wellenleiter benachbart und an diesen gekoppelt ist.

7. Optisches polarisationsdrehendes System nach Anspruch 6, ferner umfassend eine zweite optische Faser mit einem ersten und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende der zweiten Faser optisch an den Detektor gekoppelt ist und das zweite Ende der zweiten Faser dem Wellenleiter benachbart und optisch an diesen gekoppelt ist.

8. Optisches polarisationsdrehendes System nach Anspruch 6, ferner umfassend eine Polarisator am zweiten Ende der ersten Faser oder über dem Wellenleiter liegend, benachbart dem zweiten Ende der ersten Faser.

9. Optisches polarisationsdrehendes System nach Anspruch 7, ferner umfassend einen Analysator am zweiten Ende der zweiten Faser oder über dem Wellenleiter liegend, dem zweiten Ende der zweiten Faser benachbart.

10. Optisches polarisationsdrehendes System nach Anspruch 6, bei welchem die erste optische Faser eine polarisierende Faser ist.

11. Optisches polarisationsdrehendes System nach Anspruch 6, bei welchem die erste optische Faser eine polarisationserhaltende Faser ist.

12. Optisches polarisationsdrehendes System nach Anspruch 1, bei welchem das Medium ein optischer Dünnfilmwellenleiter ist, der ein polarisierendes Ende und ein reflektierendes Ende hat, ferner umfassend:

eine optische Faser mit einem ersten und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende optisch an die Quelle und den Detektor gekoppelt ist und das zweite Ende an das polarisierende Ende gekoppelt ist,

eine Einrichtung am zweiten Ende, die über dem polarisierenden Ende liegt um in das polarisierende Ende eintretende elektromagnetische Strahlung linear zu polarisieren und um für aus dem polarisierenden Ende austretende elektromagnetische Strahlung als Analysator zu wirken und

einen Spiegel an dem reflektierenden Ende zum Reflektieren elektromagnetischer Strahlung innerhalb des Wellenleiters.

13. System nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Einrichtung zum Bewegen der Domänenwand, wobei die Einrichtung zum Bewegen auf einen elektrischen Strom und/oder eine elektrische Spannung anspricht.