Магнітофотонний кристал

Реферат: Винахід належить до галузі оптичної обробки інформації і може бути використаний для керування когерентними потоками світла в оптоелектронних і магнітофонних приладах, системах відображення, зберігання і передавання інформації та ін. Магнітофотонний кристал, що включає 3≤N≤10 пар періодично напилених один на одного магнітних і немагнітних шарів, в якому одна з періодичних пар містить магнітний шар, виконаний з матеріалу Bi zК3-zFe5O12, де К – Y, Lu, значення z змінюється в межах 0,5-1,0 ат./форм. од., інша пара містить магнітний шар, виконаний з матеріалу BixR3-xFe5-yMyO12, де R – щонайменше один рідкісноземельний елемент, вибраний з групи Тb, Dy, Sm, Eu, Tm, Yb, Lu та в комбінації з Тb з Pr, Yb з Nd, , M - Al, значення х змінюється в межах 0,5-2 ат./форм. од., значення у змінюється в межах 0,5-1,3 ат./форм. од., а немагнітний шар в кожній з пар виконаний з матеріалу МеО, де Me - Si, Al. Винахід забезпечує одержання кристала, властивостями якого можливо додатково керувати за допомогою температури. UA 99165 C2 (12) UA 99165 C2 UA 99165 C2 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 та ін. Відома багатошарова структура одновимірного магнітофотонного кристала (МФК), що включає в себе шари з двох матеріалів (М і L) з різними показниками заломлення, нанесені методами вакуумної технології на підкладку S з гадоліній-галієвого гранату (ГГГ) і які мають товщини порядку чверті довжини хвилі світла [Пат. WO 2007/107941. Magneto-opto photonic crystal multilayer structure having enhanced Faraday rotation with wisible light / Alamen K., Grishin А.]. Як матеріал М з великим показником заломлення (nM=2,8) використовується вісмутзаміщений залізо-ітрієвий гранат (Bi:YIG), а як матеріал L з малим показником заломлення (nL=1,97) - ГГГ. Недоліком пристроїв на основі такої структури є неможливість керувати її властивостями за допомогою інших зовнішніх параметрів, крім магнітного поля. Відома багатошарова періодична структура МФК для підсилення ефекту Фарадея, що включає в себе 4 пари шарів з магнітного матеріалу М товщиною PC/4nM і немагнітного матеріалу N товщиною PC/4nN, де nM і nN - показники заломлення магнітного і немагнітного шарів, відповідно, PC - довжина хвилі, що відповідає середині фотонної забороненої зони [Fedyanin A.A., Kobayashi D., Nishimura К., 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]. Як матеріал М використовуються шари Ві-заміщеного залізо-ітрієвого гранату складу Bi1,0Y2,0Fe5O12 (nM=2,6), а як матеріал N - шари SiO2 (nN=1,47), нанесені методом високочастотного розпилення відповідних мішеней. Підкладка - плавлений кварц. Керування потоком випромінювання в кристалах, наприклад, у магнітооптичних модуляторах і ізоляторах, також відбувається за допомогою зовнішнього магнітного поля. Недоліком кристала також є неможливість керувати його властивостями за допомогою інших зовнішніх параметрів, крім магнітного поля. В основу винаходу поставлена задача вдосконалити магнітофотонний кристал шляхом підвищення його функціональності за рахунок збільшення числа зовнішніх параметрів, що регулюють властивості пристроїв на основі кристала. Поставлена задача вирішується тим, що магнітофотонний кристал, що включає 3≤N≤10 пар періодично напилених один на одного магнітних і немагнітних шарів, який відрізняється тим, що одна з періодичних пар містить магнітний шар, виконаний з матеріалу Bi zК3-zFe5O12, де К – Y, Lu, значення z змінюється в межах 0,5-1,0 ат./форм. од., інша пара містить магнітний шар, виконаний з матеріалу BixR3-xFe5-yMyO12, де R – щонайменше один рідкісноземельний елемент, вибраний з групи Тb, Dy, Sm, Eu, Tm, Yb, Lu та в комбінації з Тb з Pr, Yb з Nd, , M-Al, значення х змінюється в межах 0,5-2 ат./форм. од., значення у змінюється в межах 0,5-1,3 ат./форм. од., а немагнітний шар в кожній з пар виконаний з матеріалу МеО, де Me-Si, Al. Такий магнітофотонний кристал дозволяє керувати його властивостями за допомогою додаткового параметра, а саме - температури. На фіг. 1. наведено схематичне зображення багатошарової структури МФК. 1 - підкладка; 2 магнітний шар М1, 3 - немагнітний шар; 4 - магнітний шар М2; 5 - випромінювання. Магнітофотонний кристал виготовлений шляхом нанесення складових його шарів на підкладку 1 і містить однакову кількість пар шарів M1/N і М2/N. Магнітні шари М1 (2) мають склад BizY3-zFe5O12, де z=0,5-1 ат./форм. од. і не мають точки компенсації магнітного моменту, магнітні шари М2 (4) мають склад BixR3-xFe5-yMyO12, де R - рідкісноземельні елементи Тb, Dy, Sm, Eu, Tm, Yb, Lu та в комбінації з Тb з Pr, Yb з Nd, , де M-Al, значення х змінюється від 0,5 до 2 ат./форм. од., значення у змінюється від 0,5 до 1,3 ат./форм. од., і мають точку компенсації магнітного моменту. Показники заломлення магнітних шарів М1 і М2 nM=2,55. Немагнітний шар N (3) являє собою плівку SiO2 (або Аl2О3) з показником заломлення nN=1,50 (або nN=1,7). Розрахунок товщин шарів проводився для довжини хвилі, що відповідає центру забороненої фотонної зони PC=600 нм. Товщини кожного з магнітних і немагнітних шарів становили, відповідно 3 PC/4nM=176 нм і PC/4nN=100 нм (або PC/4nN=88 нм), загальна товщина магнітних шарів склала 708 нм, немагнітних - 400 (або 352 нм). Загальна товщина магнітофотонного кристала, без урахування підкладки, склала 1108 (або 1060 нм). Магнітофотонний кристал працює так. Його вміщують у зовнішнє магнітне поле Н, що перевищує поле насичення магнітних шарів. При температурі нижче T cоmр. магнітні шари М1 і М2 мають протилежні за знаком значення кута фарадеївського обертання FM1 і FM2, внаслідок цього - низьке або нульове значення сумарного F від усіх магнітних шарів. Тому, підсилення світла в такому магнітофотонному кристалі буде мінімальне або рівне нулю, тобто на виході аналізатора сигнал буде мінімальний або рівний нулю. При цьому фотонна заборонена зона в 1 UA 99165 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 кристалі існувати буде, тому що це оптичний, а не магнітооптичний параметр, який залежить тільки від значень показників заломлення шарів і їхніх товщин і не залежить від температури. При нагріванні структури до температури, що перевищує T соmр., відбудеться зміна знака Fm2 шару М2, що має точку компенсації магнітного моменту, на протилежний. Значення F у структурі стане рівним сумі FM1 і FM2 усіх магнітних шарів, крім того, відбудеться його підсилення завдяки конструктивній інтерференції, що має місце в МФК. Приклади складів феритів-гранатів шарів М2 з високими значеннями температури компенсації магнітного моменту: Bi2,0Tb0,5Pr0,5Fe3,8Al1,2O12; Tсоmр.=23-25 °C. Bi1,5Dy1,5Fe4,0Al1,0O12; Tсоmр.=21-23 °C; Bi1,8Dy0,7Lu0,5Fe3,9Al1,1O12; Tсоmр.=15-17 °C. Bi1,0Tb0,5Sm0,5Yb0,5Lu0,5Fe4,0Al1,0O12; Tсоmр.=12-14 °C. Bi1,4Yb0,3Nd0,3Eu0,5Tm0,5Fe4,2Al0,8O12; Tсоmр.=10-12 °C. Як приклад конкретного виконання магнітофотонного кристала використана багатошарова структура, що складається з 4 пар переміжних пар шарів M1/N і М2/N, напилених на підкладку S 4 із ГГГ. Спрощено таку структуру можна описати послідовністю: S/[(M 1N)/(M2N)] . Магнітні шари М1 являють собою тонкі плівки Ві, Lu-заміщеного фериту-гранату складу BizLu3-zFe5O12, товщиною 176 нм кожний. Магнітні шари М2 являють собою тонкі плівки Ві, Dy, Аl-заміщеного фериту-гранату складу Bi1,5Dy1,5Fe4,0Al1,0O12 такої ж товщини, що і шари М1. Магнітні шари М1 і М2 синтезовані методом реактивного іонно-променевого розпилення мішеней феритів-гранатів відповідних складів в атмосфері аргону з добавленням кисню з наступним відпалюванням отриманих плівок на повітрі при атмосферному тиску. Немагнітні шари N являють собою тонкі плівки Аl2О3 товщиною 88 нм кожний, напилені методом реактивного іонно-променевого розпилення алюмінієвої мішені в суміші аргону і кисню. Перевірку роботоздатності виготовленої структури як магнітофотонного кристала проводили шляхом вимірювання спектральних залежностей коефіцієнта пропускання і кута фарадеївського обертання при температурах 18 і 30 °C, тобто нижче і вище Tcomр, магнітного шару М2 у діапазоні довжин хвиль від 450 до 750 нм. Величина постійного магнітного поля при вимірюванні кута фарадеївського обертання становила 3 кЕ. Спектральні залежності коефіцієнтів пропускання для обох температур були однакові. Максимум поглинання лежав поблизу 600 нм, що відповідало розрахунковій довжині хвилі. У синтезованій структурі існує заборонена зона шириною приблизно 50 нм, що свідчить про те, що структура має властивості фотонного кристала. Спектральні залежності кута фарадеївського обертання при цих двох температурах, навпаки, дуже сильно різнилися. При 18 °C у всьому спектральному діапазоні значення F не перевищували десятих часток градуса, навіть на краях забороненої фотонної зони будь-які максимуми F були відсутні. Це свідчило про приблизну рівність FM1 і FM2 магнітних шарів. Нагрівання структури до 30 °C приводило до того, що на спектральній залежності F з'являвся ряд максимумів, які відповідають максимальному пропусканню структури на цих довжинах хвиль. Наприклад, на довгохвильовому краї фотонної забороненої зони значення F зростало до 1,8°, що приблизно в 10 разів перевищувало відповідне значення при 18 °C. Це свідчило про те, що при 30 °C структура мала властивості магнітофотонного кристала. На (фіг. 2) наведено магнітооптичні петлі гістерезису (ПГ), тобто залежності кута фарадеївського обертання F від поля намагнічування Н, виготовленого МФК, виміряні при температурах 18 (а) і 30 °C (b) за допомогою магнітополяриметра на ефекті Фарадея на довжині хвилі 655 нм. Магнітні шари М1 являють собою тонкі плівки складу BizLu3-zFe5O12, магнітні шари М2 являють собою тонкі плівки складу Bi1,5Dy1,5Fe4,0Al1,0O12 з Tсоmр.=21-23 °C, немагнітні шари N являють собою тонкі плівки Аl2О3. При 18 °C ПГ має дуже малу інтенсивність, знак кута обертання свідчить про те, що сумарний магнітний момент магнітних шарів визначається октаедричною підрешіткою шарів М2. Картина суттєво змінюється при 30 °C: інтенсивність ПГ зростає приблизно в 10 разів, знак кута обертання змінюється на протилежний у порівнянні зі знаком при 18 °C. Це означає, що в шарі М2 відбулася компенсація магнітного моменту, вектор намагніченості у всіх шарах при цій температурі має однаковий напрям і сумарна намагніченість усіх магнітних шарів визначається їхніми тетраедричними підрешітками. При цьому ПГ при 30 °C дуже схожа на ПГ одношарової плівки фериту-гранату і не проявляє ніяких ознак поділу на шари, що свідчить про те, що всі магнітні шари у виготовленому МФК зв'язані обмінними взаємодіями. Перевагою пропонованого кристала, у порівнянні з відомими, є можливість додаткового керування його властивостями за допомогою температури. Відмітимо, що значення T соmр магнітних шарів М2 може регулюватися в широких межах шляхом відповідних заміщень 2 UA 99165 C2 рідкісноземельних або діамагнітних іонів у підрешітках фериту-гранату, що дозволяє створювати магнітофотонні кристали для будь-якого значення керувальної температури. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 Магнітофотонний кристал, що включає 3≤N≤10 пар періодично напилених один на одного магнітних і немагнітних шарів, який відрізняється тим, що одна з періодичних пар містить магнітний шар, виконаний з матеріалу BizК3-zFe5O12, де К – Y, Lu, значення z змінюється в межах 0,5-1,0 ат./форм. од., інша пара містить магнітний шар, виконаний з матеріалу Bi xR3-xFe5-yMyO12, де R – щонайменше один рідкісноземельний елемент, вибраний з групи Тb, Dy, Sm, Eu, Tm, Yb, Lu та в комбінації з Тb з Pr, Yb з Nd, , M - Al, значення х змінюється в межах 0,5-2 ат./форм. од., значення у змінюється в межах 0,5-1,3 ат./форм. од., а немагнітний шар в кожній з пар виконаний з матеріалу МеО, де Me - Si, Al. Комп’ютерна верстка М. Ломалова 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