Магнітофотонний кристал мікрорезонаторного типу

Реферат: Магнітофотонний кристал мікрорезонаторного типу містить шар вісмут-заміщеного залізоітрієвого гранату загальної формули Bi:YIG з показником заломлення n, розташований між двома брегівськими дзеркалами. Шар вісмут-заміщеного залізо-ітрієвого гранату виконаний з матеріалу складу BizY3-zFe5O12, де z=0,5-3,0 ат./форм. од., брегівські дзеркала виконані з 3N10 пар шарів з показниками заломлення n1 і n2. При цьому різниця показників заломлення n1-n2≥0,5, а n>n2, брегівські дзеркала і шар вісмут-заміщеного залізо-ітрієвого гранату виконані змінними вздовж однієї із сторін і постійними вздовж другої, перпендикулярної до першої, сторони кристала товщинами. Товщини шарів в брегівських дзеркалах є чверть-хвильовими, а товщина шару BizY3-zFe5O12 є півхвильовою для світла, що падає на точки, які лежать на лініях постійних товщин мікрорезонатора. UA 69071 U (54) МАГНІТОФОТОННИЙ КРИСТАЛ МІКРОРЕЗОНАТОРНОГО ТИПУ UA 69071 U UA 69071 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пристрій належить до оптичної обробки інформації і може бути використаний для керування когерентними потоками світла в оптоелектронних і магнітофотонних приладах, системах відображення, зберігання і передавання інформації. Відома багатошарова структура одновимірного магнітофотонного кристала (МФК) 4 4 4 мікрорезонаторного типу (BIG/YIG) /BIG /(YIG/BIG) , мікрорезонатор якого складається з восьми пар чверть-хвильових шарів (по чотири пари знизу і зверху) вісмутового (BIG) та ітрієвого (YIG) ферогранатів, що мають великий (BIG) і малий (YIG) показники заломлення, і посередині якого розміщено однохвильовий шар з BIG [Kahl, S. Enhanced Faraday rotation in all-garnet magnetooptical photonic crystal / S. Kahl, A.M. Grishin // Appl. Phys. Lett. - 2004. - Vol. 84, N 9. - P. 14381440]. Кристал було виготовлено методом імпульсного лазерного осадження на підкладці гадоліній-галієвого гранату (GGG), що мала орієнтацію (111). Товщина шарів мікрорезонатора складала: BIG-70 нм, YIG-81 нм. Центральний шар BIG мав товщину 4×70=280 нм. Робоча (резонансна) довжина хвилі цього мікрорезонатора, тобто довжина хвилі, на якій кристал має максимальні значення коефіцієнта пропускання і кута Фарадеєвого обертання, визначається товщиною його складових шарів, і в даному випадку складала Ar=750 нм. Недоліком пристрою на основі такої структури є неможливість його роботи на різних світлових хвилях, бо мікрорезонатор пристрою має тільки одну резонансну хвилю. Відома багатошарова структура одновимірного магнітофотонного кристалу (МФК) 5 5 мікрорезонатора типу (Та2О5/SіО2) /B:YIG/(SiO2/TA2O5) , центральною частиною якого є магнітооптичний півхвильовий шар вісмут-заміщеного залізо-ітрієвого гранату Bi:YIG, що розташований між двома інтерференційними діелектричними дзеркалами, кожне з яких складається з п'яти пар чверть-хвильових шарів Та2O5 і SiO2 з показниками заломлення, відповідно, n1=2,15 і n2=1,48 [М. Inoue, R. Fujikawal, A. Baryshev, A. Khanikaev, Р В Lim, Н. Uchidal, О. Aktsipetrov, A. Fedyanin, Т. Murzina and A.Granovsky. Magnetophotonic crystals. Topical review. J. Phys.D: Appl. Phys. 39 (2006) R151-R161]. Кристал виготовлявся методом високочастотного магнетронного розпилення на скляну підкладку марки Corning glass1737. Товщини шарів: Bi:YIG-167 нм, SiO2 - 111 нм, Та2O5 - 92 нм. Резонансна довжина хвилі R цього МФК склала 720 нм. Недоліком пристрою на основі такої структури також є неможливість роботи на різних світлових хвилях через наявність у мікрорезонатора тільки однієї резонансної довжини хвилі. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити магнітофотонний кристал мікрорезонаторного типу шляхом підвищення його функціональних можливостей шляхом збільшення числа резонансних довжин хвиль. Поставлена задача вирішується тим, що магнітофотонний кристал мікрорезонаторного типу, що включає шар вісмут - заміщеного залізо - ітрієвого гранату загальної формули Bi:YIG з показником заломлення n, розташований між двома брегівськими дзеркалами, згідно з корисною моделлю, шар вісмут - заміщеного залізо-ітрієвого гранату виконаний з матеріалу складу BizY3-zFe5O12, де z=0,5-3,0 ат./форм. од., брегівські дзеркала виконані з 3N10 пар шарів з показниками заломлення n1 і n2, причому різниця показників заломлення n1-n2≥0,5, а n>n2, брегівські дзеркала і шар вісмут-заміщеного залізо-ітрієвого гранату виконані змінними вздовж однієї із сторін і постійними вздовж другої, перпендикулярної до першої, сторони кристала товщинами, причому товщини шарів в брегівських дзеркалах є чверть-хвильовими, а товщина шару BizY3-zFe5O12 є півхвильовою для світла, що падає на точки, які лежать на лініях постійних товщин магнітофотонного кристалу. В такому магнітофотонному кристалі довжина резонансної хвилі змінюється вздовж ліній змінних товщин, тому кристал є багаторезонаторним і може працювати на різних світлових хвилях при падінні світла на точки різних ліній постійних товщин, що паралельні одній із сторін прямокутної робочої грані МФК. На кресленні представлено схематичне зображення багаторезонаторного магнітофотонного кристала. Кристал виготовлений на кварцовій підкладці 1. Обидва його діелектричних брегівських дзеркала складаються з N пар клиновидних шарів ТіО2 (2) і SiO2 (3), що чергуються. Різні товщини шарів дзеркал є чверть-хвильовими для світла з різними довжинами хвиль. Розташований між дзеркалами клиновидний шар вісмут-заміщеного залізо-ітрієвого гранату BizY3-zFe5O12 (4) є пів-хвильовим для того ж світла, для якого шари нижнього і верхнього дзеркал в цій частині МФК є чверть-хвильовими. Магнітофотонний кристал мікрорезонаторного типу працює таким чином. Спочатку вздовж сторони кристала із змінними товщинами шарів з фіксованим кроком (допустимо, 3 мм) проводять вимірювання спектральних залежностей коефіцієнта пропускання і кута Фарадеєвого обертання і визначають в цих точках (наприклад, точки A-D) резонансні довжини хвиль, тобто довжини хвиль, при яких в цих точках кристала пропускання і Фарадеєве обертання 1 UA 69071 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 максимальні. Кристал розташовується в зовнішньому магнітному полі напруженістю H, яке спрямоване по нормалі до поверхні кристала і перевищує поле магнітного насичення магнітооптичного шару. В точку А на поверхні кристала по нормалі посилають потік лінійно поляризованого світла (5) з довжиною хвилі A, яка для точки А є резонансною. Брегівські дзеркала під точкою А забезпечують локалізацію світла з довжиною хвилі A в магнітооптичному шарі (4), що спричиняє багатократне збільшення кута Фарадеєвого обертання внаслідок багатопроменевої інтерференції При цьому на спектральних залежностях коефіцієнта пропускання і кута Фарадеєвого обертання спостерігатимуться максимуми при довжині хвилі A. В інших точках робочої грані кристала, що не лежать на лінії постійної товщини, резонансної для хвилі A, пропускання і, відповідно, Фарадеєве обертання будуть відсутні при довжині хвилі A. При падінні світлового потоку лінійно поляризованого випромінювання (6) з довжиною хвилі B в точку В вхідної грані кристала спостерігатимуться максимуми коефіцієнта пропускання і Фарадеєвого обертання при довжині хвилі B, бо для точки В B є резонансною. При падінні світла з довжиною хвилі B на інші точки кристала, що не належать лінії цієї постійної товщини, пропускання і, відповідно, Фарадеєве обертання будуть відсутні. Аналогічні зміни пропускання і Фарадеєвого обертання спостерігатимуться для інших світлових хвиль в інших точках кристала, наприклад, в точках С і D, що лежать на різних лініях інших постійних товщин (див. креслення). Таким чином, один і той же магнітофотонний кристал в точках ліній змінних товщин шарів кристала можна використовувати як мікрорезонатор для різних довжин хвиль. Приклад. Магнітофотонний кристал мікрорезонаторного типу було виготовлено на холодній підкладці з оптично прозорого термостійкого ситалу розміром 10×20 мм. Кристал містить два брегівських дзеркала, кожне з яких виконане у вигляді п'яти пар шарів ТіО2 і SiO2, що чергуються, з товщинами, відповідно, R/4n1 і R/4n2, де n1=2,31 і n2=1,50 - показники заломлення світла в шарах ТіО2 і SiO2, відповідно. Між дзеркалами розташований магнітооптичний шар вісмутзаміщеного залізо-ітрієвого гранату Bi1,0Y2,0Fe5O12 завтовшки R/2n, де n=2,55 - показник заломлення світла в шарі Bi1,0Y2,0Fe5O12. Шари кристала виготовлялись методом реактивного іонно-променевого розпилення відповідних мішеней в аргон-кисневій суміші. Після нанесення на нижнє дзеркало магнітооптичного шару проводили відпал структури на повітрі при атмосферному тиску при температурі 690 С протягом 20 хвилин. Потім напилювали верхнє дзеркало. Резонансні довжини хвиль R для різних точок вздовж ліній зміни товщин шарів кристала (довгої сторони кристала), лежать в діапазоні від 800 до 700 нм. В відповідності до цього діапазону R товщини шарів кристала змінюються вздовж ліній зміни товщин таким чином: шар ТіО2: від 87 до 75 нм; шар SiO2: від 133 до 117нм; шар Ві1,0Y2,0Fe5O12: від 157 до 137 нм. Розподіл товщини вздовж довгої сторони кристала є лінійним для всіх шарів, і всі шари є клини. У цьому прикладі при виготовленні шарів резонатора кут нахилу підкладки до потоку частинок, що розпилюється з мішені, змінюється вздовж її довгої сторони, а кут її нахилу до лінії "центр підкладки - центр мішені" складав 45°. Вимірювання магнітних і магнітооптичних властивостей магнітоактивного шару Bi1,0Y2,0Fe5O12 після кристалізації його на нижньому брегівському дзеркалі структури і магнітофотонного кристала в цілому проводили за допомогою Фарадеєвого магнітополяриметра шляхом вимірювання магнітооптичних петель магнітного гістерезису при довжині світлової хвилі 655 нм. Вимірювання спектральних залежностей коефіцієнта пропускання проводили за допомогою спектрофотометра СФ-14. Спектральні залежності Фарадеєвого обертання вимірювались на спектральній магнітооптичній установці на базі спектрального комплексу КСВУ-6 з подвійним дифракційним монохроматором МДР-6 в інтервалі довжин світлових хвиль від 400 до 800 нм. Вимірювання спектральних залежностей коефіцієнта пропускання і Фарадеєвого обертання кристала проводили в чотирьох точках кристала вздовж клину з кроком 3 мм між точками. Було виявлено, що в кожній з вимірюваних точок існує фотонна заборонена зона, посередині якої знаходяться резонансні піки пропускання і Фарадеєвого обертання. Значення резонансних довжин хвиль у вказаних точках складали, відповідно, 780, 760, 745 і 720 нм, що свідчило про те, що виготовлений магнітофотонний кристал являє собою мікрорезонатор, який дійсно працює на декількох резонансних довжинах хвиль. Перевагою запропонованого магнітофотонного кристала мікрорезонаторного типу є те, що пристрій на його основі дає можливість працювати на різних резонансних довжинах хвиль. 2 UA 69071 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Магнітофотонний кристал мікрорезонаторного типу, що включає шар вісмут-заміщеного залізоітрієвого гранату загальної формули Bi:YIG з показником заломлення n, розташований між двома брегівськими дзеркалами, який відрізняється тим, що шар вісмут-заміщеного залізоітрієвого гранату виконаний з матеріалу складу BizY3-zFe5O12, де z=0,5-3,0 ат./форм. од., брегівські дзеркала виконані з 3N10 пар шарів з показниками заломлення n1 і n2, причому різниця показників заломлення n1-n2≥0,5, а n>n2, брегівські дзеркала і шар вісмут-заміщеного залізо-ітрієвого гранату виконані змінними вздовж однієї із сторін і постійними вздовж другої, перпендикулярної до першої, сторони кристала товщинами, причому товщини шарів в брегівських дзеркалах є чверть-хвильовими, а товщина шару BizY3-zFe5O12 є півхвильовою для світла, що падає на точки, які лежать на лініях постійних товщин мікрорезонатора. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3