Brevet FR2595478A1 — publié le 19870911

"Elément de commutation de lumière magnéto-optique." L'invention concerne un élément de commutation de lumière magnéto-optique muni d'îlots constitué par une couche épitaxiale à base de grenat de fer métal de terres rares portant comme substituant du bismuth, appliquée sur un substrat de grenat orienté dans la direction (111) optiquement transparent, non magnétiquement orienté, de résistances de chauffage intégrées disposées sur les îlots et d'une bobine enfermant les îlots, la couche épitaxiale étant formée à partir d'un bain contenant de l'oxyde de plomb et de l'oxyde de bore comme flux. L'invention concerne en outre un procédé pour la réalisation d'un tel élément de commutation de lumière magnéto-optique ainsi que son utilisation. Le traitement de textes, de graphiques et d'images s'effectue dans une mesure croissante par traitement de données électroniques. Pour la sortie de l'information, il existe des imprimantes rapides présentant une résolution élevée, comme par exemple les imprimantes électrophotograhiques munies de têtes imprimantes optiques. De l'information technique 84 07 16 de la société Valvo, on connait un module de commutation de lumière magnéto- optique, qui se prête convenablement à la réalisation de telles têtes imprimantes optiques compactes présentant une résolution élevée. Les modules connus contiennent une série d'éléments de commutation de lumière ponctuels qui peuvent être commutés, d'une façon indépendante les uns des autres, par voie thermomagnétique entre un état transmettant la lumière et un état ne transmettant pas la lumière. Pour la réalisation des éléments de commutation de lumière, on part d'un substrat monocristallin orienté dans la direction (111) et constitué par du grenat de gadolinium-gallium substitué. Sur ce substrat, on applique, par épitaxie, une couche de grenat de fer - métal de terres rares portant comme substituant du bismuth, qui satisfait à la composition qualitative (Gd, Bi)3, (Fe, Ga, Al)5012. De telles couches et substrats sont connus de J. Cryst. Growth 64 (1983)pages 275 à 284. Pour obtenir des éléments de commutation de lumière séparés, la majeure partie de la couche magnétooptique recouvrant d'abord tout le substrat est enlevée à l'aide d'un processus de décapage à masque photolithographique, de façon qu'il ne subsiste que des îlots séparés. Chaque ilot constitue la base d'un élément de commutation de lumière. L'espace compris entre les éléments de commutation de lumière est recouvert d'une couche imperméable à la lumière à l'aide d'un autre processus à masque. De ce fait, la lumière ne peut traverser que les éléments de commutation de lumière. Or, alors que le substrat n'est pas magnétiquement orienté et est inactif du point de vue optique, la couche magnéto-optique présente une magnétisation spontanée qui, étant donné la répartition non statistique des ions bismuth dans le réseau cristallin, est toujours alignée perpendiculairement à la face de la couche, donc ne peut prendre que deux directions: soit parallèlement soit anti-parallèlement à la normale à la couche. Lorsque de la lumière polarisée linéairement traverse cette couche, le plan de polarisation de cette lumière est tourné dans le sens des aiguilles d'une montre ou en sens inverse par suite de l'effet de Faraday, ceci suivant la direction de magnétisation. Cette rotation du plan de polarisation est transformée par une optique de polarisation en une modulation lumineuse de la lumière. A cet effet, la couche est appliquée entre deux feuilles de polarisation, donc des feuilles qui ne transmettent de la lumière que d'un plan de polarisation déterminé. La première feuille (polariseur) sert au filtre de lumière polarisée linéairement à partir de lumière incidente et la deuxième feuille (analyseur) au blocage de la lumière de l'un des plans de polarisation à la sortie. De la lumière présentant un plan de polarisation appartenant à l'autre direction de magnétisation est transmise de façon correspondante par les éléments de commutation de lumière. Un renversement de la direction de magnétisation aboutit au passage de l'état ne transmettant pas la lumière à l'état transmettant la lumière ou inversement. Dans un élément de commutation de lumière, il s'établit continuellement une direction de magnétisation uniforme, aussi longtemps que les dimensions des éléments de commutation de lumière ne dépassent pas une grandeur critique d'environ 500/um. Pour des dimensions d'éléments de commutation de lumière situées dans la gamme d'environ 100/um, comme utilisées pour des applications de têtes imprimantes, la direction de magnétisation est extrêmement stable. D'autre part, la stabilité de direction de la magnétisation dépend de la température, elle baisse fortement à des températures supérieures à 150 C. Cet effet est mis à profit pour la commutation. A cet effet, dans un angle de chaque élément de commutation de lumière est disposé un élément de résistance par la technique des couches minces et connecté par l'intermédiaire d'un réseau de conducteurs à une électronique d'excitation. De plus, une bobine constituée par une simple spire est disposée de façon à entourer tous les éléments de commutation de lumière d'une ligne de commutation de lumière. Pour la commutation d'un élément de commutation de lumière, une impulsion de courant d'une durée de 15/us, valeur caractéristique, traverse la résistance. Dans les environs de cet élément de résistance (élément de chauffage), la température monte ainsi jusqu'au-dessus de 150 C, de sorte que la stabilité de la magnétisation dans le matériau au-dessous de l'élément de résistance baisse fortement. La bobine permet alors d'établir un champ magnétique d'environ 20 kA/m pendant une durée d'environ 10 /us. Sous l'effet de ce champ, la magnétisation dans la région chauffée s'oriente vers le champ magnétique extrême. Ainsi, il s'est formé un "germe" pour un nouveau domaine magnétique. Celui-ci se gonfle sous l'effet du champ magnétique établi pendant quelques microsecondes jusqu'à ce qu'il recouvre tout l'élément de commutation de lumière et provoque à nouveau une magnétisation uniforme. Pour la fonction d'un tel élément de commutation de lumière, outre la grandeur de la rotation de Faraday, de la température de compensation et de la constante de réseau de la couche épitaxiale, l'anisotropie magnétique dite uniaxiale Ku du matériau de la couche est d'importance décisive. L'expérience nous apprend que des couches épitaxiales en grenat de fer - yttrium ou gadolinium portant, comme substituant, du bismuth et formées par croissance dans la direction (111) présentent une forte anisotropie positive Ku, qui est induite par croissance et dont la grandeur augmente avec la teneur en bismuth dans le cas de couches précipitées à partir d'un bain donné. Des valeurs positives pour l'anisotropie Ku assurent que le vecteur de magnétisation s'établit perpendiculairement au plan de la couche, comme il est nécessaire pour la fonction de l'élément de commutation de lumière décrit. D'autre part, dans le cas du processus de commutation thermique magnétique, la force qui attache la magnétisation à sa direction préférentielle doit être vaincue par un champ magnétique extérieur. Dans le matériau utilisé jusqu'à présent pour la réalisation des éléments de commutation de lumière connus, ce champ dit de commutation magnétique est si grand qu'il ne peut être obtenu que par une bobine de fil enfermant les îlots magnéto- optiques dans la technique hybride et non par une bobine intégrée, ceci à cause de sa section transversale trop petite et de sa densité de courant augmentée correspondante. Etant donné l'opération séparée de la réalisation de la bobine, les éléments de commutation de lumière magnéto- optiques sont coûteux pour la réalisation et l'électronique de commande pour la réalisation des courants d'intensité nécessairement élevés entraine des dépenses assez élevées. Un autre désavantage de l'utilisation d'une bobine de fil séparée est que la vitesse de commutation des éléments de commutation de lumière séparés est limitée à 2 kHz de fréquence de ligne par suite de la puissance dissipée se produisant dans le fil de la bobine. L'invention est basée sur l'idée d'améliorer l'élément de commutation de lumière magnéto-optique mentionné dans le préambule de façon que son anisotropie uniaxiale Ku qui est induite par croissance et qui détermine le comportement de commutation de l'élément de commutation de lumière magnéto- optique soit abaissée pour une même rotation de Faraday et que sa réalisation soit notablement simplifiée. Conformément à l'invention, ce but est atteint du fait que la teneur en bore du bain utilisé pour la formation de la couche épitaxiale se situe dans la gamme comprise entre 12,7 à 25% en atomes (teneur en cations) et que la bobine est formée comme bobine intégrée. Un procédé pour la réalisation d'un tel élément de commutation de lumière magnéto-optique est caractérisé en ce que sur un substrat de grenat orienté dans la direction (111), optiquement transparent, non magnétiquement orienté est déposée une couche épitaxiale à partir d'un bain à base d'un grenat de fer métal-des terres rares portant, comme substituant du bismuth, présentant une teneur en bore située dans la gamme comprise entre 12,7 et 25% en atomes, (teneur en cations), que des îlots sont formés à partir de la couche épitaxiale à l'aide d'un processus photolithographique qu'une résistance de chauffage électrique intégrée est appliquée sur chaque îlot et ensuite qu'une bobine intégrée enfermant l'îlot est formée sur le substrat. L'invention met à profit la conclusion que des couches magnéto- optiques épitaxiales peuvent être commutées dans un processus de commutation thermomagnétique présentant des champs de commutation magnétiques plus faibles lorsque l'anisotropie uniaxiale induite par croissance est abaissée et que les valeurs relativement élevée pour l'anisotropie magnétique induite par croissance Ku que présentent les couches épitaxiales magnéto- optiques connues orientées dans la direction (111) constituées par du grenat de fer-métal des terres rares portant comme substituant du bismuth peuvent être abaissées notablement, lorsque le bain à partir duquel est formée la couche de grenat magnétique épitaxiale est additionné, outre d'oxyde de plomb, également d'oxyde de bore comme flux, la teneur en bore étant cependant augmentée par rapport à la teneur de bore du bain connu. Dans le cas des couches magnéto-optiques conformes à l'invention, les valeurs pour la rotation de Faraday et la température de compensation sont de même PHD 86-031 6 ordre de grandeur, malgré la teneur en bore augmentée, que dans le cas des couches formées à partir des bains présentant une plus faible teneur en bore. Les avantages obtenus avec l'invention consistent notablement dans le fait qu'à base de l'anisotropie uniaxiale réduite du matériau de grenat magnéto-optique, tout en maintenant la valeur élevée connue pour la rotation de Faraday, un champ de commutation magnétique extérieur relativement faible suffit pour vaincre la force qui fixe la magnétisation dans sa direction préférentielle dans un processus de commutation thermomagnétique. Un tel champ de commutation magnétique peut être obtenu à l'aide d'une bobine intégrée réalisée par un procédé photolithographique sur le substrat. Par suite de la possibilité de pouvoir utiliser une bobine intégrée, il en résulte notamment pour une réalisation en grandes séries l'avantage notable qu'au moins soixante lignes présentant chaque fois plus de 500 éléments de commutation de lumière magnéto-optiques peuvent être munies simultanément d'une bobine, ce qui réduit notablement les frais de réalisation. De plus, étant donné la géométrie avantageuse (de plus faibles distances entre les éléments de commutation de lumière) d'une bobine à mince couche intégrée en forme de méandre, comparativement à une bobine de fil, il est possible d'obtenir un champ de commutation magnétique désiré avec moins de 50% du courant de bobine nécessaire pour le fonctionnement d'une bobine de fil, à cause de la plus faible puissance dissipée d'une bobine intégrée, l'échauffement non désirable de l'élément de commutation de lumière est réduit. Etant donné la plus faible anisotropie magnétique induite par croissance, il résulte,l'autre avantage d'une réduction additionnelle du courant de bobine. Un exemple de réalisation de,l'invention sera décrit et le fonctionnement conforme à l'invention sera expliqué à l'aide du dessin. La figure la montre une section et une vue en plan d'un substrat présentant des éléments de commutation de lumière munis de bobines de fil extérieures (état de la technique). La figure lb montre une section et une vue en plan sur un substrat muni d'éléments de commutation de lumière présentant des bobines à mince couche intégrées conformes à l'invention. La figure 2 est une représentation graphique de la puissance de chauffage en fonction du courant dans une bobine de fil extérieure. a) pour un élément de commutation de lumière magnéto-optique conforme à l'invention et b) pour un élément de commutation de lumière magnéto-optique selon l'état de la technique. Des couches en grenat de fer-gadolinium portant comme substituant du bismuth furent déposées sur des substrats en grenat-gallium-gadolinium portant comme substituant du calcium-magnésium-zirconium orientés dans la direction (111) présentant une constante de réseau as= 1,250 nm par épitaxie isotherme sur des substrats portés en rotation i maintenus dans une position horizontale. Après homogénéisation pendant plusieurs heures du bain, à partir duquel sont formées par croissance les couches épitaxiales, la température du bain est abaissée jusqu'à la température de croissance et le substrat, qui est fixé à un support de platine, est porté dans une position horizontale, 10 mm au-dessus du bain dans une position d'attente. Après environ 3 minutes, lorsque le substrat a atteint la température de croissance nécessaire, le substrat est plongé sur 30 à 40 mm dans le bain et immédiatement porté en rotation, le sens de rotation étant alterné tous les 2,5 s. Pour terminer le procédé de croissance, le substrat est tiré du bain et des restes adhérents du bain furent jetés dans une mesure notable par rotation rapide. Des couches épitaxiales d'une épaisseur de couche de 4,7/um furent déposées sur un substrat d'une épaisseur d'envron 0,5 mm. Dans le tableau I ci-après, la composition d'un bain utilisé pour cet exemple de réalisation est indiquée par la teneur en cations en % en atomes. Ts signifie la température de saturation. TABLEAU I Pb Bi B Fe Gd Ga Al Ts(K) ,11 31,38 16,55 13,88 0,83 0,53 1,72 Le Tableau II indique la composition, les paramètres de réalisation et les propriétés de la couche formées selon le bain du Tableau I (couche L'111), qui est comparée avec les valeurs pour une couche de grenat de fer-métal de terres rares, portant, comme substituant du bismuth épitaxiale à partir d'un bain présentant une teneur en bore de 12,17% en atomes selon l'état de la technique (couche L111). Les deux couches sont déposées sur des substrats orientés dans la direction (111). I 'o Fe4,43Ga.,19AlO,38012 1085 20 4 0,0005 273 15000 4,7 2,5.103 = Température de saturation = Surfusion = Adaptation erronnée = Température de compensation = Rotation de Faraday à 633 nm de longueur d'onde = Epaisseur de couche = Constante d'anisotropie magnétique induite par croissance Co TABLEAU II TS Ts TK GF d K u Des valeurs du tableau II il ressort que par exemple la valeur pour la rotation de Faraday et la température de compensation sont pratiquement égales, malgré l'utilisation de bains présentant des teneurs différentes en oxyde de bore comme flux. Cela est contraire aux valeurs pour l'anisotropie uniaxiale induite par croissance Ku: la valeur pour la couche conforme à l'invention est ici notablement réduite, comparativement à la valeur pour la couche connue. La figure lb représente une partie d'une ligne de commutation de lumière comportant plusieurs éléments de commutation de lumière magnéto-optiques sur un substrat de grenat- gallium-gadolinium substitué à l'aide de calcium-magnésium- zirconium 3, qui est représenté en section et en plan. A partir de couches de grenat de fer-métal de terres rares portant, comme substituant, du bismuth épitaxial, réalisées de la façon décrite ci-dessus, d'une épaisseur de 4,7/um, furent déposés, par un processus photolithographique, des îlots 1 d'une longueur de côtéd'environ 100/um, qui sont entourés d'une bobine en forme de méandre 5, qui est réalisée dans la technique des couches minces et qui présente une épaisseur de couche d'environ 10/um et une largeur de conducteur d'environ 50/um. Sur les îlots 1 sont également disposées des résistances de chauffage 7 réalisées dans la technique des couches minces. La mesure des paramètres de commutation fut effectuée avec la ligne de commutation de lumière représentée en coupe sur la figure la et présentant plusieurs éléments de commutation de lumière, pour lesquels fut obtenu le champ de commutation magnétique avec une bobine de fil 9 comprenant deux tours. La figure 2 représente le comportement de commutation mesuré pour des éléments de commutation de lumière avec des couches conformes à l'invention (L'111) et selon l'état de la technique (L111) conformément au Tableau II sous forme de la dépendance de la puissance de chauffage nécessaire du courant de la bobine magnétique. Les deux matériaux de couche montrent une valeur de seuil prononcée du courant dans la bobine. Au-dessous de cette valeur de seuil, la puissance de chauffage nécessaire augmente fortement. Un fonctionnement des éléments de commutation de lumière n'est possible que dans le cas de courant dans la bobine au- 1 1 dessus de cette valeur de seuil, du fait que dans le cas d'une plus grande puissance de chauffage, la durée de vie des résistances de chauffage baisse notablement. De la figure 2, il ressort que la valeur de seuil des éléments de commutation de lumière comportant la couche conforme à l'invention L'111 se situe à une valeur notablement plus faible pour le courant dans la bobine que pour un élément de commutation de lumière présentant la couche selon I'état de la technique L111. Alors que pour la couche L111,il faut un courant de bobine de 13 A, l'élément de commutation de lumière comportant la couche L'111 se laisse déjà commuter avec un courant de bobine de 3,5 A. Du fait que le courant se consomme de façon quadratique dans la puissance dissipée de la bobine, il ne se produit à 3,5 A qu'environ 7% de la puissance dissipée. De plus, par suite de la réduction de la puissance de chauffage nécessaire, il se, produit une plus longue durée de vie des résistances de chauffage intégrées. Etant donné la possibilité d'utilisation d'une bobine à-mince couche en forme de méandre intégrée, il se produit une réduction notable de la puissance dissipée de la bobine magnétique, comparativement à une bobine magnétique composée d'enroulements de fil. Dans le cas d'une largeur de conducteur de /um, d'une épaisseur de 10/um, d'une longueur de 10,5 cm, d'une résistivité de 3,10-6 Q cm et d'un courant de 1,5 A, il se produit, dans la bobine intégrée, une puissance dissipée de 1 W. Cette valeur est calculée pour une fréquence de ligne de 3 kHzet une largeur de bobine magnétique 2 x 12 /us pour l'élément de commutation de lumière comportant la couche L'111. Dans le cas d'utilisation d'un élément de commutation de lumière comportant la couche L111, il faudrait un courant de ,6 A pour la commutation; il se produit à cet effet une puissance dissipée d'environ 14 W qui, du point de vue technique de chaleur, ne pourrait pas êtremaitrisée dans une bobine intégrée et aboutirait à la perturbation de la ligne de commutation de lumière. De ce fait, les éléments de commutation de lumière connus à base d'une couche Lll1 ne peuvent être commutés qu'avec une bobine de fil externe qui, étant donné l'assez grande section transversale du fil, présente une faible résistance et peut fonctionner avec une puissance dissipée suffisamment petite d'environ 5W. REVENDICATIONS: 1. Elément de commutation de lumière magnéto-optique muni d'îlots constitué par une couche épitaxiale à base de grenat de fer - métal de terres rares, portant comme substituant, du bismuth, appliquée sur un substrat de grenat orienté dans la direction (111), optiquement transparent, non magnétiquement orienté, de résistances de chauffage intégrées disposées sur les îlots et d'une bobine enfermant les îlots, la couche epitaxiale étant formée à partir d'un bain, qui contient de l'oxyde de plomb et de l'oxyde de bore comme flux, caractérisé en ce que la teneur en bore du bain utilisé pour la formation de la couche épitaxiale se situe dans la gamme comprise entre 12,7 et 25% en atomes (teneur en cations) et que la bobine est formée comme bobine intégrée. 2. Élément de commutation de lumière magnéto-optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche épitaxiale est constituée par du grenat de fer - métal de terres rares, portant comme substituant, du bismuth, répondant à la formule générale (Se, Bi)3 (Fe, Ga, Al)5012. 3. Elément de commutation magnéto-optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche épitaxiale présente une composition répondant à la formule Gd2,01Bi0ogg99Fe4,43Ga0, 19A10,38012- 4. Elément de commutation magnéto-optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la teneur en cations de la couche épitaxiale nécessaire pour la croissance présente les valeurs suivantes pour le bain utilisé Pb 35, 11; Bi 31,38; B 16,55; Fe 13,88; Gd 0,83; Ga 0,53; Al 1,72. 5. Elément de commutation magnéto-optique selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat est constitué par du grenat de gallium-métal de terres rares. 6. Elément de commutation de lumière magnéto-optique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le substrat est constitué par du grenat degallium-gadolinium portant, comme substituants, du calciummagnésium-zirconium et répondant à la formule générale (Gd,Ca)3(Ga,Mg,Zr)5012. 7. Elément de commutation de lumière magnéto-optique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le substrat est constitué par du grenat de gallium-néodymium portant, comme substituants, du calciummagnésium-zirconium et répondant à la formule générale (Nd,Ca)3(Ga,Mg,Zr)5012. 8. Procédé pour la réalisation d'un élément de commutation de lumière magnéto-optique selon la revendication 1 à 7, caractérisé en ce que sur un substrat de grenat orienté dans la direction (111), optiquement transparent, non magnétiquement orienté est déposée une couche épitaxiale à partir d'un bain à base d'un grenat de fer métal de terres rares portant, comme substituant, du bismuth présentant une teneur en bore située dans la gamme comprise entre 12,7 à 25% en atomes, (teneur en cations), que des îlots sont formés à partir de la couche épitaxiale à l'aide d'un processus photolithographique qu'une résistance de chauffage électrique intégrée est appliquée sur chaque îlot et ensuite qu'une bobine-intégrée enfermant l'îlot est formée sur le substrat. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que comme substrat, on utilise un grenat-gallium-métal de terres rares. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que comme substrat, on utilise un grenat-gallium-gadolinium portant comme substituants, du calcium-magnésium-zirconium répondant à la formule générale (Gd,Ca)3(Ga,Mg,Ar)5012. 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que comme substrat, on utilise un grenat-gallium-néodymium, portant, comme substituants, du calcium-magnésium-zirconium et répondant à la formule générale (Nd,Ca)3(Ga,Mg,Zr)5012. 12. Procédé selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu'une couche épitaxiale en grenat de fer- métal de terres rares, portant comme substituant, du bismuth répondant à la formule générale (SE,Bi)3(Fe,Ga,Al)5012 est déposée sur le substrat. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'une couche épitaxiale présentant une composition répondant à la formule Gd2,01Bi0o, 99Fe4,43Ga0,19A1038012 est déposée sur le substrat. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que pour la croissance de la couche épitaxiale, on utilise un bain présentant la teneur en cations suivante en % en atomes Pb 35,11; Bi 31,38; B 16,55 Fe 13,88; Gd 0,83; Ga 0,53: A1 1,72. 15. Procédé selon l'une des revendications 8 à 14, caractérisé en ce que la couche épitaxiale est déposée dans une épaisseur de couche dans la gamme de 1 à 10/um. 16. Procédé selon l'une des revendications 8 à 15, caractérisé en ce que des îlots d'une longueur de côté jusqu'à 500/um sont formés à partir de la couche épitaxiale. 17. Utilisation de l'élément de commutation de lumière magnéto-optique selon la revendication 1 à 7 dans une tête imprimante magnéto-optique.