СПОСОБ МАГНИТООПТИЧЕСКОЙ МОДУЛЯЦИИ СВЕТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОВЕРХНОСТНЫХ ПЛАЗМОНОВ
METHOD FOR MAGNETOOPTICAL MODULATION OF LIGHT USING SURFACE PLASMONS

Изобретение относится к области физики, в частности к методикам модуляции интенсивности электромагнитного излучения видимого и ближнего ИК диапазонов посредством приложения магнитного поля. Изобретение может быть использовано для модуляции интенсивности света в оптоволоконной и интегральной оптике, биосенсорике и фотонике.
Известно устройство по модулированию фазы отраженного светового сигнала на основе эффекта Керра (US 4246549, G02B 5/30, опубл. 21.02.2013). Устройство реализует управляемый контроль над фазой отраженного сигнала при отражении от слоя ферромагнитного или ферримагнитного граната, помещенного на высокоотражающую поверхность с коэффициентом отражения предпочтительно свыше 95%, которой может быть, например, набор диэлектрических слоев. В устройстве используется усовершенствование, связанное с тем, что предыдущие аналогичные устройства используют железный слой для эффекта Керра, который обладает высоким поглощением и склонностью к окислению.
Данное устройство обладает большей толщиной, включающей необходимую толщину магнитного граната, а также, отражающий слой. Также в устройстве не используется механизмов существенного усиления магнитооптического эффекта Керра.
Известно также устройство (US 5477376, G02F 1/09, опубл. 19.11.1995) для модулирования интенсивности прошедшего излучения на основе магнитооптического эффекта Фарадея, методом изменения намагниченности магнитного гранатового слоя при помощи электромагнита, либо механически смещаемого постоянного магнита. Устройство включает в себя структуру с чередующимися доменами намагниченности, с чередованием в направлении, перпендикулярном распространению модулируемого излучения. В отсутствии магнитного поля, домены с противоположным направлением намагниченности образуют дифракционную решетку, отводя часть энергии основного пучка в дифргировавшие пучки. Таким образом достигается модуляция, либо ослабление исходного пучка.
Данное устройство не обладают выраженной селективностью по длинам волн, а также трудно приспосабливаемо для применения в качестве отражательного модулирующего магнитооптического элемента интегральной фотоники, обладает большими размерами, в частности толщиной, и не использует эффект существенного усиления магнитооптического эффекта Керра.
Известны устройства по считыванию магнитной информации с носителей, основанные на магнитооптическом эффекте Керра, использующие эффекты Керра (US 3545840 G02F 1/34, опубл. 8.11.1970), Фарадея (US 4609961, G11B 5/127 опубл. 2.09.1986), а также использующие оба этих эффекта для повышения чувствительности (EP 0965986 A2, G11B 11/105 опубл. 22.11.1999).
Данные устройства реализуют вариацию пробного сигнала на основе магнитооптического эффекта Керра или Фарадея, а также в них не применяется существенное усиление магнитооптического сигнала, присущее использованию перекачивания излучения в поверхностные плазмоны.
Известно устройство по управлению оптическим сигналом на основе перекачивания оптической энергии в поверхностный плазмон-поляритон (US 20130148186, G02F 1/00, опубл. 13.06.2013), в устройстве применена активная среда, оптические свойства которой могут варьироваться, в зависимости от внешнего электрического или магнитного поля. Для управления с помощью магнитного поля используется диэлектрик с примесями магнитных металлов (Ni, Co), либо ферромагнитных гранатов.
Данное устройство используется в геометрии модулируемого излучения "на пропускание" и не пригодно для использования в качестве модулирующего отражательного элемента. Кроме того, устройство обладает большими геометрическими размерами, по сравнению с теми, которые возможно обеспечить методом, утверждающимся в настоящей работе.
Наиболее близким предлагаемому методу является метод усиления магнитооптического эффекта Керра за счет применения фотоннокристаллических периодических структур на поверхности (US 20130141773, G02F 1/09, опубл. 06.06.2013) и перекачки энергии падающего излучения в поверхностные плазмоны. Утверждается по крайней мере пятикратное усиление экваториального эффекта Керра по сравнению с неструктурированным материалом. Экваториальный магнитооптический эффект Керра позволяет модулировать интенсивность отраженного сигнала. В отличие от предлагаемой методики, в данном методе для усиления магнитооптического эффекта Керра используется фотоннокристаллическая структура толщиной порядка 300 нм. В этом методе не было получено значительной величины магнитооптической модуляции интенсивности, ввиду использования никеля в качестве ферромагнитного металла в основе. Данный метод ограниченно позволяет использовать, например, железо для магнитооптической модуляции. Также, рассматриваемая в данном методе двумерная упорядоченная наноструктура ограниченно позволяет управлять положением плазменного резонанса и сложнее интегрируется в существующие элементы фотоники, чем предлагаемая одномерная.
В процессе проведенных экспериментов было выявлено новое явление по влиянию поверхностных плазмон-поляритонов на изменение величины экваториального магнитооптического эффекта Керра, в зависимости от длины волны и угла падения излучения.
Задачей изобретения является создание способа модуляции интенсивности оптического излучения с использованием тонкопленочных наноструктур толщиной менее 200 нм.
Решение этой задачи, то есть создание более тонких, чем существующие на сегодняшний день магнитооптических модуляторов, возможно за счет использования экваториального магнитооптического эффекта Керра, усиленного возбуждением поверхностных плазмон-поляритонов, на поверхности периодически нано структурированного металла.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
spp
spp
m
m
m
0.5
Для реализации данного способа используется магнитоплазмонный кристалл, схема которого показана на Фиг.1. Данный магнитоплазмонный кристалл представляет собой диэлектрическую периодическим образом наноструктурированную матрицу (1) с периодом d, лежащем в диапазоне от 300 до 3000 нм, на которую нанесены слои (2) ферромагнитных металлов (железо, никель, кобальт) и благородных металлов (золото, серебро) суммарной толщиной до 150 нм, и покрытые слоем (3) пассивирующего диэлектрика (например диоксида кремния) толщиной до 50 нм. Данные наноструктуры позволяют эффективно возбуждать на их поверхности поверхностные плазмон-поляритоны, при попадании на них ТМ-поляризованного оптического излучения с длиной волны λ=400-3000 нм под углом θ, позволяющим выполнить условия фазового синхронизма между проекцией волнового вектора падающего оптического излучения, вектором поверхностного плазмон-поляритона и вектором обратной решетки магнитоплазмонного кристалла. Данное условие описывается следующей формулой: λ=d(n+sinθ), где n=(ε/(1+ε)), где ε - диэлектрическая проницаемость металла. Длина волны резонансного возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов определяется периодом структуры и углом падения света. Возбуждение поверхностных плазмонов на поверхности металла приводит к появлению минимума в спектре отражения, соответствующего перераспределению энергии между падающим и отраженным лучами, а также к усилению магнитооптического эффекта Керра в узком спектральном диапазоне. Экваториальный магнитооптичесий эффект Керра заключается в изменении интенсивности и фазы отраженного от поверхности света. Однако типичные значения данных эффектов малы для использования тонкопленочных ферромагнитных наноструктур в качестве оптических модуляторов. Усиление данного эффекта путем возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов позволяет достичь уровня заданного прикладными применениями. На Фиг.2 показано изображение образца магнитоплазмонного кристалла на основе железа с пространственным периодом наноструктурирования d=320 нм, слоем железа толщиной h=100 нм, покрытого сверху 10-нанометровым пассивирующим слоем диоксида кремния, полученное с помощью электронного микроскопа. Напыление металлов производилось методом магнетронного распыления.
На Фиг.3 представлена оптическая схема метода модуляции интенсивности оптического излучения. Для модуляции оптического отклика используется переменное магнитное поле амплитудой порядка 100 Э, лежащее в плоскости тонкой пленки и направленное перпендикулярно плоскости падения света.
На Фиг.4 показан спектр отражения ТМ-поляризованного света от изготовленного магнитоплазмонного кристалла, при угле падения света θ=65 град (сплошная линия). Минимум в спектре отражения при λ=625 нм носит название аномалии Вуда и появляется вследствие возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов. Его спектральное положение определяется выполнением условий фазового синхронизма для возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов. Спектры магнитооптической относительной модуляции коэффициента отражения δ для магнитоплазмонного кристалла (заполненные круги) и плоской пленки железа толщиной h=100 нм (штриховая линия) показаны на Фиг.4. Из графиков видно, что при возбуждении поверхностных плазмон-поляритонов происходит значительное усиление магнитооптического эффекта Керра в узкой спектральной области. На длине волны λ=625 нм значение экваториального магнитооптического эффекта Керра достигает значения δ=5%, где δ=(I(H)-I(-H))/I(0), H - величина напряженности приложенного магнитного поля, I(H) - величина интенсивности отраженного света при приложении магнитного поля величиной H, I(0) - величина интенсивности отраженного света без приложения магнитного поля. Таким образом приложение магнитного поля позволяет изменить интенсивность отраженного света на 5%.
Таким образом, создаются возможности формирования нового способа регулирования интенсивности электромагнитного излучения, который заключается в направлении волны электромагнитного излучения на периодически наноструктурированную поверхность набора слоев ферромагнитных и благородных металлов (магнитоплазмонный кристалл), при необходимости покрытую пассивирующим слоем диэлектрика, с периодом, определяемым рабочей длиной волны излучения и приложением магнитного поля, лежащего в плоскости образца, и перпендикулярного плоскости падения света. Изменение интенсивности отраженного света меняется изменением величины и знака приложенного магнитного поля.
Данный способ позволяет в прикладном плане получить возможность эффективного управления интенсивностью электромагнитного излучения при помощи устройства, активная часть которого имеет толщину менее половины длины волны используемого излучения.