ПЛАЗМОННЫЙ 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.
s
Известен магнитофотонный кристалл микрорезонаторного типа на основе двухслойных пленок висмут-замещенного железо-иттриевого граната BiioY2,oFe50i2 и железо-висмутового граната BisFesOn, расположенных между двумя Брэгговскими зеркалами, которые играют роль оптического резонатора [Патент 54178 Украины, МПК СЗОВ 30/00].
Недостатком устройства на основе такого кристалла является относительно невысокие значения удельного фарадеевского вращения.
Известна двухслойная магнитоплазмонная гетероструктура, содержащая последовательно нанесенные на прозрачную подложку слой магнитного диэлектрика и металлическую решетку с субволновыми щелями определенных размеров [Калиш А.Н., Белотелов В.И., Быков Д.А., Досколович Л.Л., Звездин А.К. Магнитооптические эффекты в плазмонных двухслойных гетероструктурах // Ученые записки Казанского гос. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки. 2009. Т. 151, кн. 1 - С. 95-102].
Недостатком устройства на основе такой структуры также является относительно невысокие значения удельного фарадеевского вращения.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствовать плазмонный магнитофотонный кристалл путем использования эффекта плазмон-поляритонного резонанса.
Поставленная задача решается тем, что плазмонный магнитофотонный кристалл, содержащий оптический резонатор с резонансной длиной волны Яя в виде двух Брэгговских зеркал, слои висмут-замещенного железо-иттриевого граната Bii^Y^oFesO^ и железо-висмутового граната BiaFesOn с суммарной оптической толщиной, кратной Яя/2, расположенных между Брэгговскими зеркалами, согласно полезной модели, дополнительно содержит металлическую субволновую решетку, размещенную на верхнем Брэгговском зеркале.
Такой плазмонный магнитофотонный кристалл, благодаря дополнительному использованию в нем эффекта плазмон-поляритонного резонанса, позволяет получать на
резонансной   длине   волны   более   высокие,   чем   в   прототипе,   значения   удельного фарадеевского вращения.
На чертеже схематически изображена структура такого плазмонного магнитофотонного кристалла. Кристалл изготовлен на подложке из плавленого кварца (1) и содержит два диэлектрических Брэгговских зеркала (2) и (5), нижнее зеркало (2) нанесенно на подложку (1). Зеркала состоят из N пар перемежающихся четвертьволновых слоев ТагОб и SiCh. Между зеркалами расположены два магнитоактивных слоя, нижний из которых выполнен из висмут-замещенного железо-иттриевого граната Bii,oY2,oFe50i2 (3) с оптической толщиной AR/8, а второй слой, нанесенный на него, выполнен из железо-висмутового граната BisFesOn (4) с оптической толщиной 3AR/8. На верхнее зеркало нанесена металлическая субволновая решетка (6).
Плазмонный магнитофотонный кристалл работает так.
Кристалл помещается во внешнее магнитное поле Н, которое направлено по нормали к его поверхности и превышает поля насыщения магнитоактивных слоев. На кристалл направляется поток (7) линейно поляризованного излучения оптического диапазона с длиной волны AR. В результате взаимодействия излучения с металлической субволновой решеткой на границе раздела металл решетки - диэлектрик верхнего зеркала (5) происходит возбуждение поверхностных плазмон-поляритонов, что приводит к локальному усилению (десятки раз) интенсивности падающего на кристалл излучения в диапазоне толщин порядка нескольких сотен нанометров, так называемый плазмон-поляритонный резонанс [Belotelov V.I., Doskolovich L.L., Zvezdin A.K. Extraordinary magneto-optical effects and transmission through metal-dielectric plasmonic systems // Phys. Rev. Lett. 2007. Vol. 98, N 7_077401].
Усиленная плазмон-поляритонным резонансом электромагнитная волна, распространяясь вглубь структуры, приводит к возникновению эффекта Фарадея в магнитоактивных слоях (3) и (4). Брэгговские зеркала (2) и (5) обеспечивают локализацию света в магнитоактивных слоях вследствие многолучевой интерференции, что приводит к многократному усилению фарадеевского вращения на резонансной длине волны AR. При этом, соответственно, на спектральных зависимостях коэффициента пропускания и угла фарадеевского вращения плазмонного магнитофотонного кристалла на длине волны AR наблюдаются максимумы коэффициента пропускания и угла фарадеевского вращения, обусловленные плазмон-поляритонным резонансом и резонансом в оптическом резонаторе.
Пример исполнения.
1R=
XR/8
h =
а =
d =
Плазмонный магнитофотонный кристалл моделировался для резонансной длины волны 633 нм и изготавливался на подложке из плавленого кварца толщиной 0,5 мм. Кристалл содержит два Брэгговских зеркала, каждое из которых выполнено в виде пяти чередующихся пар четвертьволновых слоев ТагСЬ и SiCh. На нижнее зеркало последовательно нанесены магнитоактивные слои - слой висмут-замещенного железо-иттриевого граната Bii,oY2,oFe50i2 с оптической толщиной И СЛОЙ железо-висмутового граната BisFesOn с оптической толщиной 3AR/8. Общая оптическая толщина магнитоактивных слоев равна 2R/2. На верхний диэлектрический слой ТагСЬ нанесена субволновая решетка из благородного металла (золота или серебра), которая имеет следующие размеры: толщина 100 нм, ширина полоски металла 120 нм, период решетки 400 нм. Использование благородных металлов, например, золота и серебра, позволяет наиболее эффективно возбуждать плазмон-поляритоны. Кроме того, эти металлы имеют малые потери на поглощение излучения в оптическом диапазоне спектра.
;
Слои диэлектрических зеркал и магнитоактивные слои изготавливались методом реактивного ионно-лучевого распыления соответствующих мишеней в смеси аргона и кислорода. Слой BiioY2,oFe50i2 после напыления на слой SiO2 кристаллизовался на воздухе при атмосферном давлении при температуре 680 °С в течение 20 мин. Затем на него наносился слой BisFesOn и кристаллизовался при тех же условиях. Об успешной кристаллизации и образовании пленок гранатовой фазы судили по результатам измерений магнитооптических петель гистерезиса на длине волны 633 нм каждого из слоев Bii,oY2,oFe50i2 и Bi3FesOi2, а также всей структуры после ее изготовления. Углы фарадеевского вращения слоев Bii,oY2,oFe50i2 и BisFesOn составляли минус 0,064 и минус 0,58 °, соответственно. Это соответствует удельному фарадеевскому вращению слоев, соответственно, минус 1,0 и минус 6,0 °/мкм, что является характерными значениями для пленок этих составов. Угол фарадеевского вращения магнитофотонного кристалла без металлической субволновой решетки составлял минус 12,7 °, что соответствует удельному фарадеевскому вращению минус 47,0 °/мкм; коэффициент пропускания составил 63%.
Металлическая субволновая решетка изготавливалась путем нанесения пленки серебра на поверхность верхнего диэлектрического зеркала методом катодного распыления с последующим применением метода фотолитографии. Для плазмонного магнитофотонного кристалла на резонансной длине волны коэффициент пропускания составил 54%, угол фарадеевского вращения составил минус 16,3 °, что соответствует удельному фарадеевскому вращению минус 60,2 °/мкм. Это значительно превышает значение, характерное для прототипа (минус 47,0 °/мкм).
Преимуществом предлагаемого плазмонного магнитофотонного кристалла является возможность получения в нем более высоких значений удельного фарадеевского вращения.