МАГНИТОФОТОННЫЙ КРИСТАЛЛ

Полезная модель относится к области производства кристаллов и может быть использована для управления когерентными потоками света в оптоэлектронных и магнитофотонных приборах, системах отображения, хранения и передачи информации.
{пи
(пъ
=
=
Известна многослойная структура одномерного магнитофотонного кристалла (МФК), включающая слои из двух материалов (М и L) с различными показателями преломления, нанесенные методами вакуумной технологии на подложку S из гадолиний-галлиевого граната (ГГГ) и имеющие толщины порядке четверти длины волны света [Alamen Kamal and Grishin Alex. Magneto-opto photonic crystal multilayer structure having enhanced Faraday rotation with wisible light. WO 2007/107941 A2]. Как материал М с большим показателем преломления  2,8) используется висмут-замещенный железо-иттриевый гранат (Bi: YIG), а в качестве материала L с малым показателем преломления  1,97) - ГГГ. Усиление эффекта Фарадея в такой структуре происходит за счет конструктивной интерференции излучения, распространяющегося перпендикулярно к плоскости структуры, и составляет 24 °/мкм по сравнению с 2 °/мкм вне структуры при такой же толщине слоев материала М. Управление потоком излучения в устройствах на основе такой структуры (например, в магнитооптических модуляторах и изоляторах) происходит с помощью внешнего магнитного поля.
Недостатком устройств на основе такой структуры является невозможность управлять их свойствами с помощью других, кроме магнитного поля, внешних параметров.
пи
пы -
{пи
{гт
=
В качестве ближайшего аналога выбрана многослойная периодическая структура одномерного МФК, включающая нанесенные на подложку из плавленого кварца 4 пары слоев из магнитного материала М толщиной ЗДрс/4им и немагнитного материала N толщиной 1PC/4T?N, где и показатели преломления магнитного и немагнитного слоев, соответственно, Яре - длина волны, которая соответствует середине фотонной запрещенной зоны [А.А Fedyanin, D. Kobayashi, К. Nishimura, H. Uchida, M. Inoue, O.A. Aktsipetrov. Observation of enhanced faraday effect in garnet-based magnetophotonic crystals // Mater. Res. Soc. Symp. Proa, 2005, Vol. 834., J1.5.1-J1.5.4]. В качестве материала М используются слои висмут-замещенного железо-иттриевого граната состава Bii,oY2,oFe50i2 = 2,6), а в качестве материала N - слои SiO2  1,47), нанесенные методом высокочастотного распыления соответствующих мишеней. Усиление эффекта Фарадея в такой структуре происходит за счет локализации света в каждой из магнитных областей вследствие конструктивной интерференции излучения, распространяющегося перпендикулярно к плоскости структуры. В диапазоне длин волн от 850 до 1100 нм в структуре существует фотонная запрещенная зона, а на длине волны 950 нм эффект Фарадея в 8 раз выше, чем в слое Bii,oY2,oFesOi2 эквивалентной толщины. Наличие запрещенной фотонной зоны и усиления эффекта Фарадея свидетельствует о том, что структура действительно представляет собой магнитофотонный кристалл. Управление потоком излучения в устройствах на основе такой структуры (например, в магнитооптических модуляторах и изоляторах) также происходит с помощью внешнего магнитного поля.
Недостатком устройств на основе такой структуры является невозможность управлять их свойствами с помощью других внешних параметров, кроме магнитного поля.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствовать структуру одномерного МФК для повышения его функциональности: для увеличения числа внешних параметров, регулирующих свойства устройств на основе такой структуры.
Поставленная задача решается тем, что магнитофотонный кристалл, содержащий пары осажденных на подложку чередующихся магнитных и немагнитных слоев, магнитный слой выполнен из материала химического состава Bii,oY2,oFe50i2, немагнитный - из материала химического состава SiCh, согласно полезной модели, дополнительно содержит не менее одной пары магнитного и немагнитного слоев, причем магнитный слой выполнен из материала химического состава Bii.sGdi^Fes.sGai^Oo.
Такая структура позволяет управлять свойствами одномерного магнитофотонного кристалла с помощью дополнительного параметра: температуры.
т =
пи -
=
На Фиг. 1 приведено схематическое изображение одномерного МФК. Структура содержит одинаковое количество пар слоев Mi/N и Мг/N, осажденных на подложку (1). Магнитные слои Mi (2) имеют состав Bii,oY2,oFe50i2 и не имеют точки компенсации магнитного момента; немагнитный слой N (3) представляет собой пленку двуокиси кремния SiO2 с показателем преломления 1,50; магнитные слои Мг (4) имеют состав Bii,5Gdi,5Fe3,8Gai,2Oi2 и имеют точку компенсации магнитного момента при температуре Тсотр = 25 °С. Показатели преломления магнитных слоев Mi и Мг составляют 2,55. Расчет толщин слоев проводился для длины волны, которая соответствует центру запрещенной фотонной зоны ЯРС = 600 нм. Толщины каждого из магнитных и немагнитных слоев составляли соответственно ЗЯрс/4ям  177 нм и Арс/4/ад =100 нм, общая толщина магнитных слоев составляла 708 нм, немагнитных - 400 нм. Общая толщина магнитофотонного кристалла (без учета подложки) составляла 1108 нм.
Н,
9?
СО
Р
сот
Одномерный МФК на основе такой структуры работает следующим образом. Устройство помещается во внешнее магнитное поле которое превышает поле насыщения магнитных слоев. При температуре меньшей Гт магнитные слои Mi и Мг имеют противоположные по знаку значения угла вращения Фарадея и, вследствие этого, значение угла вращения Фарадея всей структуры, равное сумме значений всех магнитных слоев, будет малым (а при равности толщин всех магнитных слоев будет равным нулю). Поэтому, усиление света в таком МФК будет минимальным или даже равным нулю, т.е. на выходе анализатора сигнал будет минимальным (или равен нулю). При этом фотонная запрещенная зона в кристалле существовать будет, потому что это оптический, а не магнитооптический параметр, который зависит только от значений показателей преломления слоев и их толщин и не зависит от температуры. При нагревании структуры до температуры, превышающей Гр, произойдет смена знака угла вращения Фарадея слоев Мг, имеющих точку компенсации магнитного момента, на противоположный, и значение всей структуры увеличится, кроме того, усилится за счет конструктивной интерференции, что имеет место в МФК.
В качестве примера конкретного исполнения структуры одномерного МФК предложена многослойная структура, состоящая из 4 пар чередующихся слоев Mi/N и Мг/N, осажденных на подложку S из плавленого кварца. Магнитные слои Mi представляют собою тонкие пленки Bi-замещенного феррит-граната состава Bii,oY2,oFe50i2 толщиной 177 нм каждый. Магнитные слои Мг представляют собой тонкие пленки Bi, Gd, Ga-замещенного феррит-граната состава Bii,5Gdi,5Fe3,sGai,2Oi2 той же толщины, что и слои Мь Магнитные слои Mi и Мг синтезированы методом реактивного ионно-лучевого распыления мишеней феррит-гранатов соответствующих составов в атмосфере аргона с примесью кислорода с последующим отжигом полученных пленок в вакуумной камере в присутствии кислорода. Немагнитные слои N представляют собой тонкие пленки БЮг толщиной 100 нм каждый, осажденные методом реактивного ионно-лучевого распыления кварцевой мишени в атмосфере аргона с примесью кислорода.
Измерение спектральных зависимостей коэффициента пропускания и угла вращения Фарадея /9F всей структуры проводили при температурах 18 °С (то есть ниже Гсотр магнитного слоя Мг) и 35 °С (т.е. выше Гсотр магнитного слоя Мг) в диапазоне длин волн от 450 до 750 нм. Величина постоянного магнитного поля при измерении эффекта Фарадея составляла 4 кЭ. На Фиг. 2 (а), (б) приведены соответствующие спектры при 18 и
35 °С. Как видно, спектральные зависимости коэффициентов пропускания для обеих температур одинаковые, середина максимума поглощения лежит вблизи 600 нм, что соответствует расчетной длине волны. В синтезированной структуре существует запрещенная зона шириной примерно 30 нм, что свидетельствует о том, что структура имеет свойства фотонного кристалла.
в?
6?
Спектральные зависимости эффекта Фарадея при двух температурах наоборот, очень сильно различаются. При 18 °С во всем спектральном диапазоне значение #F не превышают сотых долей градуса, даже на краях запрещенной фотонной зоны любые максимумы отсутствуют. Это свидетельствует о компенсации магнитных моментов слоев Mi и Мг при этой температуре. Нагрев структуры до 35 °С приводил к тому, что на спектральной зависимости #F ПОЯВЛЯЛСЯ ряд максимумов, соответствующих максимальному пропусканию структуры на этих динах волн. Например, на длинноволновом крае фотонной запрещенной зоны значение возрастало до 0,8 °, что примерно в 10 раз превышало соответствующее значение при 18 °С. Это свидетельствовало о том, что при 35 °С структура обладает свойствами магнитофотонного кристалла.
6F
Н)
ЪАг
;
На Фиг. 3 приведены магнитооптические петли гистерезиса (т.е. зависимости угла вращения Фарадея ОТ ПОЛЯ намагничивания изготовленного МФК, измеренные при температурах 18 °С (а) и 35 °С (б) с помощью магнитополяриметра на эффекте Фарадея на длине волны 655 нм. При 18 °С петля гистерезиса (ПГ) имеет очень малую интенсивность, масштаб по оси Y на Фиг. 3 (а) для наглядности увеличен вдвое. Знак угла вращения свидетельствует о том, что суммарный магнитный момент магнитных слоев структуры определяется октаэдрической подрешеткой слоев М2 (Bii,5Gdi5Fe3,8Gai,2Oi2). Картина существенно меняется при 35 °С: интенсивность ПГ возрастает примерно в 10 раз, знак угла вращения <9F изменяется на противоположный по сравнению со знаком при 18 °С. Это означает, что в слое произошла компенсация магнитного момента, вектор намагниченности во всех магнитных слоях структуры при этой температуре имеет одинаковое направление и суммарная намагниченность всех магнитных слоев определяется их тетраэдрическими подрешетками. При этом ПГ при 35 °С очень схожа с ПГ однослойной пленки феррит-граната и не проявляет никаких признаков разделения на слои, что свидетельствует о том, что все магнитные слои в изготовленном МФК связаны обменными взаимодействиями.
Преимуществом предлагаемого кристалла является возможность дополнительного управления его свойствами с помощью температуры.