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Magneto-optischer Modulator
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Die Erfindung betrifft einen magneto-optischen Modulator, bestehend
aus einer ferrimagnetischen Schicht mit hoher Faraday-Drehung, welche in Richtung
der Schichtnormalen unterschiedlich magnetisierte Domänen enthält, deren Wände mittels
eines nahezu senkrecht zur Schichtebene liegenden magnetischen Feldes zur Modulation
eines auf die Schicht auftreffenden Lichtstrahls verschiebbar sind, und aus einer
Polarisationsoptik zum Polarisieren und Analysieren des Lichtstrahls.
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Magneto-optische Modulatoren, die auf der Basis des Faraday-Effektes
arbeiten, sind bereits bekannt. So wird in der DE-OS 21 08 144 ein optisches Beugungsgitter
beschrieben, bei dem mit Hilfe der Wandverschiebung bandförmiger Domänen der Gitterabstand
veränderbar ist, so daß ein auf das Gitter auftreffendes Strahlenbündel in unterschiedlichen
Richtungen gebeugt werden kann. Die Schwingungsebenen der einzelnen zum Strahlenbündel
gehörenden, polarisierten Lichtstrahlen werden hierbei entsprechend der Magnetisierungsrichtung
der Banddomänen, auf die die Lichtstrahlen treffen, gedreht, so daß ein hinter dem
Gitter aufgestellter Analysator ein streifenförmiges Hell-Dunkel-Muster erzeugt.
Ein derartiges Beugungsgitter eignet sich somit nicht zum Modulieren der Intensität
eines Strahlenbündels über dessen gesamten Querschnitt, da bei der Wandverschiebung
die Schwingungsebene des Strahlen-
bündels immer nur in Teilbereichen
des Querschnittes gedreht wird. Ferner ist zur Verschiebung der Domänenwände ein
relativ großes magnetisches Feld erforderlich, wodurch der Leistung-sbedarf relativ
groß wird.
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In der DE-OS 26 06 596 wird ferner eine integrierte Lichtmodulationsmatrix
für die Bilddarstellung und Bildprojektion beschrieben, die eine Vielzahl einzelner,
matrixförmig angeordneter magneto-optischer Modulationselemente enthält. Die Lichtmodulationsmatrix
besteht im wesentlichen aus einer epitaktisch gewachsenen ferrimagnetischen Schicht
(Eisengranatschicht), die mittels einer Ätztechnologie derart bearbeitet ist, daß
einzelne, magnetisch voneinander isolierte Inseln übrigbleiben. Diese Inseln stellen
einzelne Modulationselemente dar, in denen jeweils die Magnetisierung entweder parallel
oder antiparallel zur Schichtnormalen ausgerichtet ist. Derartige Anordnungen sind
auch aus der magnetooptischen Speichertechnik bekannt.
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Im Betrieb wird das Modulationselement bei der Kompensationstemperatur
gehalten (in der Praxis in einem gewissen Bereich neben der Kompensationstemperatur),
so daß geringe externe Magnetfelder wegen der in diesem Bereich sehr großen Koerzitivfeldstärke
keine Umschaltung der Magnetisierungsrichtung innerhalb des Modulationselementes
bewirken können. Zum Umschalten der Magnetisierungsrichtung kann das Modulationselement
kurzzeitig erhitzt werden, während gleichzeitig ein äußeres Magnetfeld gewünschter
Richtung angelegt wird, das z.B. durch eine einfache Spule erzeugt wird. Die innere
Magnetisierung des Modulationselementes richtet sich dann entsprechend dem äußeren
Magnetfeld aus. Die Erwärmung des Modulationselementes kann hierbei mittels eines
fokussierten La--serstrahls oder durch Anlegen eines kurzen Stromimpulses an Elektroden,
die an dem Modulationselement angebracht sind, erfolgen.
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Ferner ist hieraus bekannt, daß ein neben der Kompensationstemperatur
betriebenes Modulationselement (Schaltelement) nur durch ein angelegtes Magnetfeld
umschaltbar ist. Da die Koerzitivfeldstärke in der Umgebung der Kompensationstemperalur
sehr hoch ist, sind für die Umschaltung sehr hohe externe Magnetfelder nötig.
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Durch die Änderung der Magnetisierungsrichtung ist dann die Schwingungsebene
eines auf das Modulationselement auftreffenden, linear polarisierten Lichtstrahls
drehbar, so daß bei nahezu gekreuzten Polarisatoren aufgrund der Drehung der Schwingungsebene
ein Intensitätsunterschied am Ausgang des zweiten Polarisators (Analysators) auftritt,
wodurch der jeweilige Schaltzustand markierbar ist.
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In diesem Fall ist somit eine Umschaltung (sog. Kompensationspunktschalten)
des Modulationselementes nur mit Hilfe von zugeführter thermischer Energie und externen
Magnetfeldern oder mit Hilfe von außerordentlich großen externen Magnetfeldern möglich.
Die umgesetzte elektrische Leistung pro Modulationselement und Umschaltvorgang ist
daher relativ hoch. Hinzu kommt, daß die Zeit zum Aufheizen eines Modulationselementes
die Schnelligkeit eines Umschaltvorganges (Änderung des Magnetisierungszustandes)
begrenzt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen magneto-optischen Modulator zu
schaffen, der eine erhöhte Modulationsgeschwindigkeit und einen geringeren Leistungsbedarf
pro Umschaltvorgang besitzt.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die ferrimagnetische
Schicht einzelne Inseln aufweist, die den Verlauf und die Größe der sich innerhalb
der Schicht bzw.
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der Inseln ausbildenden Domänen bestimmen, und daß in unmittelbarer
Nähe der Domänen elektrische Leiterbahnen zur Erzeugung des nahezu senkrecht zur
Schichtebene verlaufenden Mag-
netieldes zur lokalen Verschiebung
der im Bereich des Lichtstrahls liegenden Domänenwände angeordnet sind.
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Der magneto-optische Modulator nach der Erfindung besitzt eine ferrimagnetische
Schicht, die nach außen wenigstens annähernd entmagnetisiert ist. Im mikroskopischen
Bereich besitzt die ferrimagnetische Schicht jedoch einzelne Domänen, in denen die
Magnetisierung jeweils parallel oder antiparallel zur Schichtnormalen verläuft.
Da die Domänen sehr klein sind, verlaufen die zwischen ihnen liegenden magnetischen
Feldlinien sehr nahe an der Schichtoberfläche, so daß von einer nach außen entmagnetisierten
Schicht gesprochen werden kann.
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Ein solcher Zustand einer ferrimagnetischen Schicht stellt sich vorzugsweise
dann ein, wenn sie sehr weit von ihrem Kompensationspunkt entfernt ist.
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Innerhalb der Schicht lassen sich Gebiete mit überwiegend einer Magnetisierungsrichtung
bzw. Polarisationsrichtung erzeugen, indem mit Hilfe eines externen Magnetfeldes
(Schaltfeldes), welches nahezu parallel zur Schichtnormalen verläuft, die Domänenwände
verschoben werden. Hierbei wachsen die Domänen mit der gewünschten Magnetisierungsrichtung
auf Kosten der entgegengesetzt magnetisierten Domänen. Die Umschaltgeschwindigkeit
des Modulators wird danach durch die maximale Wanderungsgeschwindigkeit der Domänenwände
bestimmt.
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Um ein definiertes Schaltverhalten des magneto-optischen Modulators
zu erreichen, sind die Domänen, deren Wände verschoben werden, innerhalb der ferrimagnetischen
Schicht im Bereich des auf die Schicht auftreffenden Lichtstrahls fixiert.
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Die Fixierung erfolgt über die in der Schicht vorhandenen Inseln,
die gleichzeitig die Größe und den Verlauf der Domänen innerhalb der Inseln bzw.
in der Schicht bestimmen.
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Durch Wandverschiebung der fixierten Domänen ist dann die Magnetisierungsrichtung
über den bestrahlten Schichtbereich lokal veränderbar, so daß über den Faraday-Effekt
bzw. über
den Kerr-Effekt die Schwingungsebene eines durch die Schicht
transmittierten bzw. an ihr reflektierten Lichtstrahls drehbar ist.
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Durch Aufbringung von elektrischen Leiterbahnen auf die ferrimagnetische
Schicht bzw. auf die Inseln wird ferner erreicht, daß das magnetische Schaltfeld
auf den bestrahlten Schichtbereich konzentrierbar ist, so daß der Leistungsbedarf
pro Umschaltvorgang erheblich reduziert werden kann.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die ferrimagnetische
Schicht einzelne Inseln auf, die gegenüber der Schicht magnetisch isoliert sind,
wobei auf der Oberfläche jeweils einer Insel eine Kreisspule zur Erzeugung eines
die Insel nahezu senkrecht durchsetzenden Magnetfeldes aufgebracht ist, deren innerer
Durchmesser groß ist gegenüber der Ausdehnung der innerhalb der Insel liegenden
Domänen.
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Durch die Inseln lassen sich die Domänen in einfacher, definierter
Weise fixieren. Ferner wird erreicht, daß durch Änderung der Inselgröße das Gleichgewicht
aus Wandenergie und Entmagnetiserungsenergie veränderbar ist, so daß sich je nach
Größe einer Insel jeweils unterschiedlich große Domänen innerhalb der Insel ausbilden.
Durch direktes Aufbringen einer Kreisspule auf jeweils eine Insel wird weiterhin
erreicht, daß das magnetische Schaltfeld auf den Bereich der Insel konzentriert
ist, der vom Lichtstrahl ausgeleuchtet wird.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung weist die
ferrimagnetische Schicht zwei im Abstand voneinander liegende, sie überragende Inselbereiche
auf, die über die Schicht magnetisch miteinander verbunden sind, und zwischen denen
sich eine auf der Schicht liegende Kreisspule zur Erzeugung eines die Schicht nahezu
senkrecht durchsetzenden Magnetfeldes befindet.
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Die. sich hierbei in der Schicht ausbildende streifenförmige Domäne
ist durch die Inselbereiche fixiert und zieht sich an den äußeren Rändern der Inselbereiche
entlang. Durch Anordnung einer Kreisspule neben der Domäne und zwischen den Inselbereichen
wird erreicht, daß jeweils nur ein Magnetisierungszustand in dem Schichtteil erzeugbar
ist, der im Innern der Kreisspule liegt, so daß hierdurch der Kontrast zwischen
unterschiedlichen Schaltzuständen erhöht wird.
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Nach einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist
die ferrimagnetische Schicht außer in zwei im Abstand voneinander liegenden Inselgebieten
implantierte Ionen auf, wobei sich zwischen den Inselgebieten eine auf der Schicht
liegende Kreisspule zur Erzeugung eines die Schicht nahezu senkrecht durchsetzenden
Nagnetfeldes befindet, wodurch erreicht wird, daß die ferrimagnetische Schicht in
besonders einfacher und definierter Weise strukturiert werden kann.
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Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
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Es zeigen Fig. ia bis c eine ferrimagnetische Schicht mit einer magnetisch
isolierten Insel in unterschiedlichen Schaltzuständen sowie einen Schnitt durch
die Insel, Fig. 2a bis c eine ferrimagnetische Schicht mit zwei magnetisch untereinander
verbundenen Inselbereichen in verschiedenen Schaltzuständen sowie einen Schnitt
durch beide Inselbereiche, Fig. 3a bis c eine weitere ferrimagnetische Schicht mit
magnetisch untereinander verbundenen Inselgebieten in unterschiedlichen Schaltzuständen
sowie einen Schnitt durch beide Inselgebiete, Fig. 4 einen magneto-optischen Modulator.
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In Fig. la ist eine auf einem Substrat 1 liegende ferrimagnetische
Schicht 2 dargestellt, aus der mit Hilfe bekannter Atzverfahren eine Insel 3 herausgearbeitet
ist, die von der ferrimagnetischen Schicht 2 vollständig getrennt und daher von
ihr magnetisch isoliert ist. Die Schicht 2, die einkristallin und epitaktisch auf
dem Substrat 1 aufgewachsen ist, besteht aus in geeigneter Weise mit Wismut dotiertem
Gadolinium-Eisen-Granat.
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Innerhalb der Insel 3, die beispielsweise rechteckförmig ausgebildet
ist und deren ebene Abmessungen etwa im Bereich zwischen 10 und 100 /um liegen,
befinden sich mehrere in einer Richtung parallel zur Schichtnormalen magnetisierte,
sehr kleine Bereiche 4 (Domänen), deren Wände mit Hilfe eines in gewünschter Weise
nahezu parallel zur Schichtnormalen verlaufenden externen Magnetfeldes M (Fig. 1c)
verschiebbar sind. Zur Erzeugung eines solchen Magnetfeldes M befindet sich unmittelbar
auf der Insel 3 die Kreisspule 5, welche aufgedampft wurde und z.B. aus Gold besteht.
Hierbei ist der innere Durchmesser der Kreis spule 5 groß gegenüber der Ausdehnung
der innerhalb der Insel 3 liegenden Domänen 4.
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Durch die in Fig. 1a dargestellte Domänenkonfiguration wird somit
ein erster Schaltzustand des magneto-optischen Modulators 10 (Fig. 4) angegeben.
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Fig. 1b zeigt den zweiten Schaltzustand des Modulators 10.
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Hier sind aufgrund eines durch die Kreisspule 5 fließenden Stromes
und des daraus resultierenden Magnetfeldes M die Wände der Domänen 4 derart verschoben,
daß innerhalb der Kreisspule 5 ein fast homogen magnetsierter Inselbereich vorliegt.
Die Schwingungsebene eines linear polarisierten Lichtstrahls 11 (Fig. 4), der die
Insel 3 parallelzur Schichtnormalen innerhalb der Kreisspule 5 durchsetzt, wird
somit zwischen beiden Schaltzuständen erheblich gedreht, so daß auf diese Weise
der Lichtstrahl in reproduzierbarer Weise modulierbar ist.
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Fig. ic zeigt einen Schnitt durch Fig. ia gemäß der Linie A-A. Die
Kreisspule 5 ist hier direkt auf die Insel 3 aufgedampft. Es sind aber auch andere
Verfahren zum Aufbringen der Kreisspule 5 auf die Insel 3 möglich, z.B. photomechanische
Verfahren. Ferner kann die Insel 3 auch eine andere Form, z.B. eine quadratische
oder runde Form besitzen. Es ist weiterhin möglich, mehrere Inseln 3 auf einem geeigneten
Substrat aufzubringen, so daß eine matrixförmige Anordnung entsteht. Die elektrische
Ansteuerung der einzelnen Inseln kann dann in bekannter Weise über gekreuzte Leiterbahnen
erfolgen.
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Um den Kontrast zwischen beiden Schaltzuständen weiter zu erhöhen,
ist es ferner möglich, ein zusätzliches magnetisches Gleichfeld, welches in gewünschter
Weise parallel zur Schichtnormalen verläuft, zur Verkleinerung der sich in der Insel
3 ausbildenden Domänen 4 anzulegen.
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In Fig. 2a bis c besitzt die auf dem Substrat 1 liegende ferrimagnetische
Schicht 2 zwei rechteckige Inselbereiche 6, die derart entstanden sind, daß das
Schichtmaterial zwischen den Inselbereichen 6 nur teilweise weggeätzt wurde, so
daß sie über die Schicht 2 magnetisch miteinander verbunden sind.
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Die Inselbereiche 6 besitzen Abstände voneinander, die etwa zwischen
10 und 100 /um liegen. Sie dienen als Haftstellen für Domänen 7, die-sich an ihrem
äußeren Rand in definierter Weise streifenförmig entlangziehen. Zwischen beiden
Inselbereichen 6 befindet sich eine auf der Schicht 2 aufgedampfte Kreisspule 5,
die neben der Domäne 7 liegt, und mit deren Hilfe ein in geeigneter Richtung parallel
zur Schichtnormalen liegendes Magnetfeld M (Fig. 2c) erzeugbar ist, mit dem die
Wand der streifenförmigen Domäne 7 in den inneren Bereich der Kreisspule 5 verschiebbar
ist (Fig. 2b). Auf diese Weise wird der innerhalb der Kreisspule 5 liegende Bereich
der Schicht 2 ummagnetisiert, so daß ein vom ursprünglichen Schaltzustand (Fig.
2a) verschiedener Schaltzustand erzeugt
wird. Die Schwingungsebene
eines durch den inneren Bereich der Kreisspule 5 verlaufenden linear polarisierten
Lichsstrahls ii kann auf diese Weise wiederum gedreht werden.
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Fig. lc zeigt einen Schnitt durch Fig. 2a gemäß der Linie B-B.
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Es sind ferner Konfigurationen möglich, bei denen die streifenförmige
Domäne 7 gemäß Fig. 2a oberhalb des linken und unterhalb des rechten Inselbereiches
6 verläuft, so dan sie den Schichtbereich zwischen den Inselbereichen 6 durchzieht.
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In diesem Fall liegt die Domäne 7 im inneren Bereich der Kreisspule
5. Sie läßt sich durch ein in seiner Richtung geeignet gewähltes Magnetfeld M aus
dem inneren Bereich der Kreisspule 5 zur Erzeugung eines zweiten Schaltzustandes
herausdrücken.
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Da im inneren Bereich der Kreis spule 5 für einen Schal--zustand jeweils
nur eine Magnetisierungsrichtung innerhalb der Schicht 2 vorliegt, ergibt sich ein
erhöhter Kontrast zwischen beiden Schaltzuständen, da die Schwingungsebene des Lichtstrahls
zwischen ihnen erheblich stärker gedreht wird.
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Natürlich sind auch andere Formen der Inselbereiche 6 möglich, z.B.
quadratische. Ferner ist es möglich, mehrere Inselbereiche 6 in geeigneter Weise
auf einem Substrat 1 aufzubringen, so daß matrixförmige Anordnungen entstehen.
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In Fig. 3a bis c sind in die ferrimagnetische Schicht 2, die auf einem
Substrat 1 liegt, außer in zwei rechteckigen Insel gebieten 8 positive Bor-Ionen
implantiert. Die Schichten 2 wurden beispielsweise etwa zwanzig Minuten lang mit
350 KeV-16 2 B+-Ionen beschossen (1016 Ionen/cm2). Die Inselgebiete 8 waren hierbei
abgedeckt. Zwischen den Inselgebieten 8,'deren Abstand etwa zwischen 10 und 100
/um liegt, befindet sich weiterhin eine Kreisspule 5, mit deren Hilfe ein in gewünschter
Richtung parallel zur Schichtnormalen verlaufendes
Magnetfeld M
(Fig. 3c) erzeugbar ist, mit dem die Wand einer sich zwischen den Inselgebieten
8 nahezu geradlinig ausbreitenden Domäne 9 derart verschiebbar ist, daß der innere
Bereich der Kreis spule 5 einen vom ursprünglichen Zustand verschiedenen Magnetisierungszustand
annimmt. Die Kreisspule 5 ist hierbei neben der Domäne 9 angeordnet. Die sich in
der Schicht 2 ausbildende Domäne 9 ist somit zwischen den Inselgebieten 8 fixiert,
so daß durch definierte Wandverschiebung ein reproduzierbares Schalten (Modulieren
des Lichtstrahls) möglich ist. Fig. 3c zeigt wiederum einen Schnitt durch Fig.
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3a gemäß der Linie C-C. Natürlich können auch hier mehrere Inselgebiete
8 in geeigneter Weise matrixförmig auf einem Substrat aufgebracht werden, wobei
ihre Formen auch andere als rechteckige sein können.
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Die Fig. 4 zeigt einen magneto -optischen Modulator 10, 0 , der aus
einer auf einem Substrat 1 liegenden ferrimagnetischen Schicht 2 besteht, aus der
beispielsweise eine Insel 3 herausgearbeitet ist, die von der Schicht 2 magnetisch
isoliert ist. Auf der Insel 3 befindet sich eine Kreisspule 5, durch deren inneren
Bereich ein parallel zur Schichtnormalen liegender Lichtstrahl 11 hindurchtritt,
der zuvor mittels eines Polarisators 12 linear polarisiert wurde. Durch Anlegen
eines Magnetfeldes in Strahlrichtung mittels eines durch die Kreisspule 5 geleiteten
Stromes läßt sich die Schwingungsebene des Lichtstrahls 11 drehen, so daß sich am
Ausgang des Analysators 13 eine Lichtintensitätsveränderung ergibt, wodurch der
jeweilige Schaltzustand markierbar ist.
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Da das Schaltfeld (Magnetfeld M) auf den Bereich der ferrimagnetischen
Schicht 2 konzentriert ist, der vom Lichtstrahl 11 ausgeleuchtet wird (Inselstruktur
3), und da das Schalten nur durch Verschiebung von Domänenwänden erfolgt, sind die
Schaltleistungen pro Umschaltvorgang ganz erheblich gegenüber den bekannten Modulationselementen
reduziert.
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Die Geschwindigkeit des Modulators 10 ist durch die maximale Wanderungsgeschwindigkeit
der Domänenwände bestimmt, die in der Größenordnung von etwa hundert Metern pro
Sekunde liegt.
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Eine weitere Steigerung der Wanderungsgeschwindigkeit auf einige hundert
Meter pro Sekunde kann erfolgen, wenn zusätzliche, in der Schichtebene liegende
magnetische Felder verwendet werden. Bei Strahldurchmessern von etwa 5 /um sind
dann Bitraten bis zu 100 Megabit/Sekunde erzeugbar.