МАГНИТОФОТОННЫЙ КРИСТАЛЛ
MAGNETIC PHOTONIC CRYSTAL

Устройство относится к оптической обработке информации и может быть использовано для управления когерентными потоками света в оптоэлектронных и магнитофотонных приборах, системах отображения, хранения и передачи информации и др.
M
L
-
Известна многослойная структура одномерного магнитофотонного кристалла (МФК), что включает в себя слои из двух материалов (М и L) с различными показателями преломления, нанесенные методами вакуумной технологии на подложку S из гадолиний-галлиевого граната (ГГГ) и имеющих толщины порядка четверти длины волны света [Пат. WO 2007/107941. Magneto-opto photonic crystal multilayer structure having enhanced Faraday rotation with wisible light / Alamen K., Grishin А.]. Как материал М с большим показателем преломления (η = 2,8) используется висмут-замещеный железо-иттриевый гранат (Bi: YIG), а в качестве материала L с малым показателем преломления (η1,97) - ГГГ.
Недостатком устройств на основе такой структуры является невозможность управлять ее свойствами с помощью других внешних параметров, кроме магнитного поля.
PC
M
PC
N
M
N
PC
1,0
2,0
5
12
M
2
N
η
η
Известна многослойная периодическая структура МФК для усиления эффекта Фарадея, что включает в себя 4 пары слоев из магнитного материала М толщиной λ/4η и немагнитного материала N толщиной λ/4η, где η и η - показатели преломления магнитного и немагнитного слоев соответственно, λ - длина волны, соответствующая середине фотонной запрещенной зоны [Fedyanin AA, Kobayashi D., Nishimura K., Uchida H., Inoue M., Aktsipetrov O.A. Observation of enhanced Faraday effect in garnet-based magnetophotonic crystals // Mater. Res. Soc. Symp.: Proc. 2005. Vol. 834. P. 53-56]. В качестве материал М используются слои Bi-замещенного железо-итприевого граната состава BiYFeO ( = 2,6), а в качестве материала N - слои SiO (-1,47), нанесенные методом высокочастотного распыления соответствующих мишеней. Подложка - плавленый кварц. Управление потоком излучения в кристаллах, например, в магнитооптических модуляторах и изоляторах, также происходит с помощью внешнего магнитного поля.
Недостатком кристалла также является невозможность управлять его свойствами с помощью других внешних параметров, кроме магнитного поля.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать магнитофотонный кристалл путем повышения его функциональности за счет увеличения числа внешних параметров, регулирующих свойства устройств на основе кристалла.
z
3-z
5
12
x
3-x
5-y
y
12
Поставленная задача решается тем, что магнитофотонный кристалл, включающий 3≤N≤10 пар периодически напыленных друг на друга магнитных и немагнитных слоев, отличающийся тем, что одна из периодических пар содержит магнитный слой, выполненный из материала BiKFeO, где K - Y, Lu, значение z изменяется в пределах 0,5-1,0 ат/форм. ед., другая пара содержит магнитный слой, выполненный из материала BiRFeMO, где R - по меньшей мере один редкоземельный элемент, выбранный из группы Tb, Dy, Sm, Eu, Tm, Yb, Lu и в комбинации с Tb с Pr, Yb с Nd, M-Al, значение х изменяется в пределах 0,5-2 ат/форм. ед., значение у изменяется в пределах 0,5-1,3 ат/форм. ед., а немагнитный слой в каждой из пар выполнен из материала МеО, где Me-Si, A1. Такой магнитофотонный кристалл позволяет управлять его свойствами с помощью дополнительного параметра, а именно температуры.
1
2
На фиг. 1 приведены схематическое изображение многослойной структуры МФК. 1 -подложка; 2 - магнитный слой M, 3 - немагнитный слой; 4 - магнитный слой М; 5 -излучение.
1
2
1
z
3-z
5
12
comp.
2
x
3-x
5-y
y
12
comp
1
2
M
2
2
3
N
N
PC
PC
N
PC
N
PC
N
Т
,
Т
η
η
=
η
η
η
η
=
Магнитофотонный кристалл изготовлен путем нанесения составляющих его слоев на подложку 1 и содержит одинаковое количество пар слоев M/N и M/N. Магнитные слои M (2) имеют состав BiYFeO, где z = 0,5-1 ат/форм. ед. и не имеют точки компенсации магнитного момента магнитные слои М (4) имеют состав BiRFeMO, где R -редкоземельные элементы Tb, Dy, Sm, Eu, Tm, Yb, Lu и в комбинации с Tb с Pr, Yb c Nd, где M-Al, значение х изменяется от 0,5 до 2 ат/форм. ед., значение y меняется от 0,5 до 1,3 ат/форм. ед., и имеют точку компенсации магнитного момента . Показатели преломления магнитных слоев M и М2,55. Немагнитный слой N (3) представляет собой пленку SiO (или AlO) с показателем преломления 1,50 (или = 1,7). Расчет толщин слоев проводился для длины волны, соответствующей центру запрещенной фотонной зоны λ - 600 нм. Толщины каждого из магнитных и немагнитных слоев составляли соответственно 3λ /4 = 176 нм и λ /4 = 100 нм (или λ /4 = 88 нм), общая толщина магнитных слоев составила 708 нм, немагнитных - 400 (или 352 нм). Общая толщина магнитофотонного кристалла без учета подложки составила 1108 (или 1060 нм).
Н,
T
F
,
comp
1
2
M1
M2
Магнитофотонный кристалл работает следующим образом. Кристалл помещают во внешнее магнитное поле превышающее поле насыщения магнитных слоев. При температуре ниже . магнитные слои M и М имеют противоположные по знаку значения угла фарадеевского вращения F И вследствие этого - низкое или нулевое
F
T
F
F
F
F
comp
m2
2
M1
M2
значение суммарного угла фарадеевского вращения от всех магнитных слоев. Поэтому усиление света в таком магнитофотонном кристалле будет минимальное или равно нулю, то есть 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 ., произойдет смена знака слоя М, имеющего точку компенсации магнитного момента, на противоположный. Значение в структуре станет равным сумме и всех магнитных слоев, кроме того, благодаря конструктивной интерференции, имеющей место в МФК, произойдет его усиление.
2
Примеры составов ферритов-гранатов слоев Мс высокими значениями температуры компенсации магнитного момента:
2,0
0,5
0,5
3,8
1,,2
12
comp
T
BiTbPrFeAlO;.=23-25°С.
1,5
1,5
4,0
1,0
12
comp
T
BiDyFeAlO; .=21-23°C;
1,8
0,7
0,5
3,9
1,1
12
comp
T
BiDyLuFeAlO; .=15-17°С.
1,0
0,5
0,5
0,5
0,5
4,0
1,0
12
comp
T
BiTbSmYbLuFeAlO; .=12-14°С.
1,4
0,3
0,3
0,5
0,5
4,2
0,8
12
comp
T
Bi YbNdEuTmFeAlO; .=10-12°С.
1
2
1
2
1
z
3-z
5
12
2
1,5
1,5
0,4
1,0
12
1
1
2
2
3
4
Как пример конкретного выполнения магнитофотонного кристалла использована многослойная структура, состоящая из 4 пар перемежающихся пар слоев M/N и М/N, напыленных на подложку S из ГГГ. Упрощенно такую структуру можно описать последовательностью: S/[(M/N)/(М/N)]. Магнитные слои M представляют собой тонкие пленки Bi, Lu-замещенного феррита-граната состава BiLuFeO, толщиной 176 нм каждый. Магнитные слои М представляют собой тонкие пленки Bi, Dy, А1-замещенного феррита-граната состава BiDyFeAlO такой же толщины, что и слои M. Магнитные слои M и М синтезированы методом реактивного ионно-лучевого распыления мишеней ферритов-гранатов соответствующих составов в атмосфере аргона с добавлением кислорода с последующим отжигом полученных пленок на воздухе при атмосферном давлении. Немагнитные слои N представляют собой тонкие пленки АlО толщиной 88 нм каждая, напыленные методом реактивного ионно-лучевого распыления алюминиевой мишени в смеси аргона и кислорода.
T
comp
2
Проверку работоспособности изготовленной структуры как магнитофотонного кристалла проводили путем измерения спектральных зависимостей коэффициента пропускания и угла фарадеевского вращения при температурах 18 и 30°С, то есть ниже и выше . магнитного слоя М в диапазоне длин волн от 450 до 750 нм. Величина постоянного магнитного поля при измерении угла фарадеевского вращения составляла 3 кЭ.
Спектральные зависимости коэффициентов пропускания для обеих температур были одинаковы. Максимум поглощения лежал вблизи 600 нм, что соответствовало расчетной длине волны. В синтезированной структуре существует запрещенная зона шириной примерно 50 нм, что свидетельствует о том, что структура обладает свойствами фотонного кристалла.
F
F
F
F
F
F
M1
M2
Спектральные зависимости угла фарадеевского вращения при двух температурах, наоборот, очень сильно отличались. При 18°С во всем спектральном диапазоне значение не превышали десятых долей градуса, даже на краях запрещенной фотонной зоны любые максимумы отсутствовали. Это свидетельствовало о примерном равенстве и магнитных слоев. Нагрев структуры до 30°С приводил к тому, что на спектральной зависимости появлялся ряд максимумов, соответствующих максимальному пропусканию структуры на этих длинах волн. Например, на длинноволновом крае фотонной запрещенной зоны значение выросло до 1,8°, что примерно в 10 раз превышало соответствующее значение при 18°С. Это свидетельствовало о том, что при 30°С структура имела свойства магнитофотонного кристалла.
F
Н,
T
1
z
3-z
5
12
2
1,5
1,5
4,0
1,0
12
comp
2
3
2
2
На фиг. 2 приведены магнитооптические петли гистерезиса (ПГ) изготовленного МФК, т.е. зависимости угла фарадеевского вращения от поля намагничивания измеренные при температурах 18 (а) и 30°С (b) с помощью магнитополяриметра на эффекте Фарадея на длине волны 655 нм. Магнитные слои M представляют собой тонкие пленки состава BiLuFeO, магнитные слои Mпредставляют собой тонкие пленки состава BiDyFeAlOс .=21-23°C, немагнитные слои N представляют собой тонкие пленки АlО. При 18°С ПГ имеет очень малую интенсивность, знак угла вращения свидетельствует о том, что суммарный магнитный момент магнитных слоев определяется октаэдрической подрешеткой слоев М. Картина существенно меняется при 30°С: интенсивность ПГ возрастает примерно в 10 раз, знак угла вращения меняется на противоположный по сравнению со знаком при 18°С. Это означает, что в слое М произошла компенсация магнитного момента, вектор намагниченности во всех слоях при этой температуре имеет одинаковое направление и суммарная намагниченность всех магнитных слоев определяется их тетраэдрическими подрешетками. При этом ПГ при 30°С очень похожа на ПГ однослойной пленки феррита-граната и не проявляет никаких признаков разделения на слои, свидетельствует о том, что все магнитные слои в изготовленном МФК связаны обменным взаимодействием.
T
comp
2
Преимуществом предлагаемого кристалла, по сравнению с известными, является возможность дополнительного управления его свойствами с помощью температуры. Заметим, что значение . магнитных слоев М может регулироваться в широких пределах
путем соответствующих замещений редкоземельных или диамагнитных ионов в подрешетках феррита-граната, что позволяет создавать магнитофотонные кристаллы для любого значения управляющей температуры.