МАГНИТОФОТОННЫЙ КРИСТАЛЛ Российский патент 2015 года по МПК C30B29/28 G02F1/09 

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.

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_M = 2,8) используется висмут-замещеный железо-иттриевый гранат (Bi: YIG), а в качестве материала L с малым показателем преломления (η_L - 1,97) - ГГГ.

Недостатком устройств на основе такой структуры является невозможность управлять ее свойствами с помощью других внешних параметров, кроме магнитного поля.

Известна многослойная периодическая структура МФК для усиления эффекта Фарадея, что включает в себя 4 пары слоев из магнитного материала М толщиной λ_PC/4η_M и немагнитного материала N толщиной λ_PC/4η_N, где η_M и η_N - показатели преломления магнитного и немагнитного слоев соответственно, λ_PC - 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 Bi_1,0Y_2,0Fe₅O₁₂ (η _M = 2,6), а в качестве материала N - слои SiO₂ (η _N - 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.

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 Bi_zK_3-zFe₅O₁₂, где K - Y, Lu, значение z изменяется в пределах 0,5-1,0 ат/форм. ед., другая пара содержит магнитный слой, выполненный из материала Bi_xR_3-xFe_5-yM_yO₁₂, 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.

На фиг. 1 приведены схематическое изображение многослойной структуры МФК. 1 -подложка; 2 - магнитный слой M₁, 3 - немагнитный слой; 4 - магнитный слой М₂; 5 -излучение.

Магнитофотонный кристалл изготовлен путем нанесения составляющих его слоев на подложку 1 и содержит одинаковое количество пар слоев M₁/N и M₂/N. Магнитные слои M₁ (2) имеют состав Bi_zY_3-zFe₅O₁₂, где z = 0,5-1 ат/форм. ед. и не имеют точки компенсации магнитного момента Т _comp. , магнитные слои М₂ (4) имеют состав Bi_xR_3-xFe_5-yM_yO₁₂, 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 Т _comp. Показатели преломления магнитных слоев M₁ и М₂ η _M ⁼ 2,55. Немагнитный слой N (3) представляет собой пленку SiO₂ (или Al₂O₃) с показателем преломления η _N = 1,50 (или η _N = 1,7). Расчет толщин слоев проводился для длины волны, соответствующей центру запрещенной фотонной зоны λ_PC - 600 нм. Толщины каждого из магнитных и немагнитных слоев составляли соответственно 3λ_PC /4η _N = 176 нм и λ_PC /4η _N = 100 нм (или λ_PC /4η _N = 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).

Магнитофотонный кристалл работает следующим образом. Кристалл помещают во внешнее магнитное поле Н, превышающее поле насыщения магнитных слоев. При температуре ниже T _comp. магнитные слои M₁ и М₂ имеют противоположные по знаку значения угла фарадеевского вращения F_M1 И F _M2 , вследствие этого - низкое или нулевое

значение суммарного угла фарадеевского вращения F 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 T _comp., произойдет смена знака F _m2 слоя М₂, имеющего точку компенсации магнитного момента, на противоположный. Значение F в структуре станет равным сумме F _M1 и F _M2 всех магнитных слоев, кроме того, благодаря конструктивной интерференции, имеющей место в МФК, произойдет его усиление.

Примеры составов ферритов-гранатов слоев М₂ с высокими значениями температуры компенсации магнитного момента:

Bi_2,0Tb_0,5Pr_0,5Fe_3,8Al_1,,2O₁₂;T _comp.=23-25°С.

Bi_1,5Dy_1,5Fe_4,0Al_1,0O₁₂; T _comp.=21-23°C;

Bi_1,8Dy_0,7Lu_0,5Fe_3,9Al_1,1O₁₂; T _comp.=15-17°С.

Bi_1,0Tb_0,5Sm_0,5Yb_0,5Lu_0,5Fe_4,0Al_1,0O₁₂; T _comp.=12-14°С.

Bi_1,4 Yb_0,3Nd_0,3Eu_0,5Tm_0,5Fe_4,2Al_0,8O₁₂; T _comp.=10-12°С.

Как пример конкретного выполнения магнитофотонного кристалла использована многослойная структура, состоящая из 4 пар перемежающихся пар слоев M₁/N и М₂/N, напыленных на подложку S из ГГГ. Упрощенно такую структуру можно описать последовательностью: S/[(M₁/N)/(М₂/N)]⁴. Магнитные слои M₁ представляют собой тонкие пленки Bi, Lu-замещенного феррита-граната состава Bi_zLu_3-zFe₅O₁₂, толщиной 176 нм каждый. Магнитные слои М₂ представляют собой тонкие пленки Bi, Dy, А1-замещенного феррита-граната состава Bi_1,5Dy_1,5Fe_0,4Al_1,0O₁₂ такой же толщины, что и слои M₁. Магнитные слои M₁ и М₂ 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 Аl₂О₃ толщиной 88 нм каждая, напыленные методом реактивного ионно-лучевого распыления алюминиевой мишени в смеси аргона и кислорода.

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 T _comp. магнитного слоя М₂ 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.

Спектральные зависимости угла фарадеевского вращения при двух температурах, наоборот, очень сильно отличались. При 18°С во всем спектральном диапазоне значение F не превышали десятых долей градуса, даже на краях запрещенной фотонной зоны любые максимумы F отсутствовали. Это свидетельствовало о примерном равенстве F _M1 и F _M2 магнитных слоев. Нагрев структуры до 30°С приводил к тому, что на спектральной зависимости F появлялся ряд максимумов, соответствующих максимальному пропусканию структуры на этих длинах волн. Например, на длинноволновом крае фотонной запрещенной зоны значение F 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.

На фиг. 2 приведены магнитооптические петли гистерезиса (ПГ) изготовленного МФК, т.е. зависимости угла фарадеевского вращения F от поля намагничивания Н, измеренные при температурах 18 (а) и 30°С (b) с помощью магнитополяриметра на эффекте Фарадея на длине волны 655 нм. Магнитные слои M₁ представляют собой тонкие пленки состава Bi_zLu_3-zFe₅O₁₂, магнитные слои M₂ представляют собой тонкие пленки состава Bi_1,5Dy_1,5Fe_4,0Al_1,0O₁₂ с T _comp.=21-23°C, немагнитные слои N представляют собой тонкие пленки Аl₂О₃. При 18°С ПГ имеет очень малую интенсивность, знак угла вращения свидетельствует о том, что суммарный магнитный момент магнитных слоев определяется октаэдрической подрешеткой слоев М₂. 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 М₂ 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.

Преимуществом предлагаемого кристалла, по сравнению с известными, является возможность дополнительного управления его свойствами с помощью температуры. Заметим, что значение T _comp. магнитных слоев М₂ 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.

Изобретение относится к отрасли оптической обработки информации и может быть использовано для управления когерентными потоками света в оптоэлектронных и магнитофонных приборах, системах отображения, хранения и передачи информации и др. Магнитофотонний кристалл, включающий 3 ≤N ≤10 пар периодически напылених друг на друга магнитных и немагнитных слоев, в котором одна из периодических пар содержит магнитный слой, выполненный из материала Bi_zK_3-zFe₅O₁₂, где К - Y, Lu, значение z изменяется в пределах 0,5-1,0 ат/форм. ед., другая пара содержит магнитный слой, выполненный из материала Bi_xR_3-xFe_5-yM_yO₁₂, где R - минимум 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 x 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, Al. Изобретение обеспечивает получение кристалла, свойствами которого можно дополнительно управлять с помощью температуры.

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 Bi_zK_3-zFe₅O₁₂, где К - Y, Lu, значение z изменяется в пределах 0,5-1,0 ат/форм. ед., другая пара содержит магнитный слой, выполненный из материала Bi_xR_3-xFe_5-yM_yO₁₂, 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, Al.