Магнитофотонный кристалл микрорезонаторного типа

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.

Известен периодический одномерный магнитофотонный кристалл, включающий нанесенные на подложку из плавленого кварца четыре повторяющиеся пары слоев висмут-замещенного железо-иттриевого граната (Bi: YIG) состава Bii,oY2,oFesOi2 толщиной ЗАрс/4ям и двуокиси кремния SiCh толщиной Дрс/4яы, где Яре - длина волны, соответствующая середине фотонной запрещенной зоны, пи = 2,6 иад= 1,47 - показатели преломления слоев Bii,oY2,oFe50i2, и SiCh, соответственно [Fedyanin A. A., Aktsipetrov

Недостатком устройства на основе такого кристалла является невозможность получить в нем значение удельного вращения Фарадея величиной несколько десятков градусов на микрон путем использования Bi: YIG с содержанием висмута, превышающим 1,0 ат./ф.е., в том числе чистого железо-висмутового граната Bi3FesOi2, в связи с невозможностью осуществления кристаллизации слоев таких составов в виде гранатовой фазы на слое SiO2.

В качестве ближайшего аналога выбран одномерный магнитофотонный кристалл микрорезонаторного типа (Ta2Os/SiO2)⁵/Bi: YIG/(SiO2/Ta2O5)⁵, который состоит из полуволнового слоя Bi: YIG состава Bio,7Y2,3Fe50i2, окруженного двумя брэгговскими зеркалами, которые в свою очередь состоят из пяти пар перемежающихся четвертьволновых слоев SiO2 и ТагСЬ [Inoue M., Fujikawal R., Baryshev A., Khanikaev A., P.

Недостатком устройства на основе такого кристалла также является невозможность получить в нем значение удельного вращения Фарадея величиной несколько десятков градусов на микрон в связи с невозможностью осуществления кристаллизации слоев с содержанием висмута, превышающим 1,0 ат./ф. е., в том числе чистого железо-висмутового граната BisFesOn в виде гранатовой фазы на слое SiO2.

В основу полезной модели поставлена задача усовершенствовать магнитофотонный кристалл микрорезонаторного типа путем повышения в нем величины удельного вращения Фарадея.

Поставленная задача решается тем, что магнитофотонный кристалл микрорезонаторного типа, содержащий магнитооптический слой висмут-замещенного железо-иттриевого граната Bii,oY2,oFesOi2, расположенный между двумя брэгговскими зеркалами, состоящими из N пар чередующихся четвертьволновых слоев ТагСЬ и SiCh, согласно полезной модели, дополнительно содержит слой железо-висмутового граната

толщиной ЗШп, нанесенный на слой, выполненный из висмут-замещенного железо-иттриевого граната толщиной Шп, где X - длина волны, п - показатель преломления света в магнитооптических слоях.

Такой кристалл позволяет получать высокие значения удельного вращения Фарадея в нем, составляющие десятки градусов на микрон.

На Фиг. 1 приведено схематическое изображение такого магнитофотонного кристалла микрорезонаторного типа. Кристалл изготовлен на кварцевой подложке (1) и содержит два диэлектрических брэгговских зеркала, состоящие из N пар чередующихся четвертьволновых слоев Ta2Os (2) и SiC>2 (3), между зеркалами расположены два магнитооптических слоя, один из которых выполнен из Bii,oY2,oFe50i2 (4) толщиной Я/8п, а второй - нанесенный на него слой железо-висмутового граната Bi3Fe5Oi2 (5) толщиной ЗЖп.

Магнитофотонный кристалл микрорезонаторного типа работает следующим образом. Кристалл помещается во внешнее магнитное поле Н, направленное вдоль нормали к его поверхности, превышающее поле насыщения магнитооптического слоя. На кристалл вдоль нормали к его поверхности падает световой поток линейно поляризованного излучения (6) с резонансной длиной волны 1R. Брэгговские зеркала обеспечивают локализацию света в магнитооптических микрорезонаторных слоях Bii_s oY2,oFe50i2 (4) и Bi3Fe5Oi2 (5), что приводит к многократному усилению угла вращения Фарадея в результате многолучевой интерференции. При этом на спектральных зависимостях коэффициента пропускания и угла вращения Фарадея на длине волны AR будут наблюдаться максимумы коэффициента пропускания и угла вращения Фарадея.

Пример.

Магнитофотонный кристалл микрорезонаторного типа содержит два брэгговских зеркала, каждое из которых выполнено в виде пяти пар чередующихся слоев ТагСЬ и SiO2 с толщинами, соответственно, AR/4«2 и 1к/4пз, где т = 2,31 и т = 1,50 - показатели преломления света в слоях ТагСЬ и SiCh, соответственно. Между зеркалами расположен магнитооптический слой, состоящий из слоя висмут-замещенного железо-иттриевого граната Bii,oY2,oFe50i2 толщиной Х/8п и слоя железо-висмутового граната Bi3FesOi2 толщиной ЗЯ/8/7, где п = 2,55 - показатель преломления света в магнитооптических слоях. Кристалл моделировался и изготавливался для резонансной длины волны AR = 655 нм. Соответственно, толщины его слоев составляли: ТагСЬ -71 нм, SiC>2 - 109 нм, Bii,oY2,oFe50i2, - 32 нм, Bi3FesOi2 - 96 нм. Слои структуры изготавливались методом реактивного ионно-лучевого распыления соответствующих мишеней в смеси аргона и кислорода. Слой Bii,oY2,oFe50i2 после напыления на слой SiCh кристаллизовался на воздухе при атмосферном давлении и при температуре 680 °С в течение 20 мин. Затем на него наносился слой BisFesOn и кристаллизовался. Об успешной кристаллизации и образовании пленок гранатовой фазы свидетельствовали измерения магнитооптических петель гистерезиса на длине волны 655 нм образцов каждого из слоев Bii_soY2,oFe50i2 и BisFesOo, а также всей структуры после ее изготовления. BiaFesOn и Bii,oY2,oFe50i2 имеют одинаковую магнитную подрешетку, вследствие этого оба слоя в магнитофотонном кристалле будут связаны обменными взаимодействиями. Подтверждением этого стало то, что магнитооптическая петля гистерезиса изготовленного кристалла была очень похожа на магнитооптическую петлю гистерезиса однослойной пленки BisFesOn и не проявляла никаких признаков разделения на слои. Углы вращения Фарадея для каждого из магнитооптических слоев Bii,oY2,oFe50i2 и Bi3FesOi2 составили минус 0,064 и минус 0,53 °, соответственно. Это соответствует удельному вращению Фарадея слоев, соответственно, минус 2,0 и минус 5,5 °/мкм, что соответствует значениям для пленок этих составов. Угол вращения двухслойной структуры Bi3FesOi2 на Bii,oY2,oFe50i2 составил минус 0,58 °.

Измерения спектральных зависимостей коэффициента пропускания и угла вращения Фарадея магнитофотонного кристалла микрорезонаторного типа показали, что

кристалл имеет фотонную запрещенную зону между 550 и 750 нм, внутри которой наблюдается резонансное пропускания света на длине волны 655 нм, коэффициент пропускания составляет 60%. На этой же длине волны резонансное значение удельного вращения Фарадея составило минус 5,6 °, что почти в 10 раз выше, чем в сумме для слоев Bii,oY2,oFe50i2 и Bi3Fe5Oi2 и соответствует удельному вращению Фарадея минус 43,75 °/мкм, что значительно выше значения, характерного для прототипа.

Преимуществом предлагаемого магнитофотонного кристалла является возможность получения в нем высоких значений удельного вращения Фарад

Формула полезной модели

Магнитофотонный кристалл микрорезонаторного типа, содержащий магнитооптический слой висмут-замещенного железо-иттриевого граната расположенный между двумя брэгговскими зеркалами, которые состоят из N пар чередующихся четвертьволновых слоев и отличающийся тем, что дополнительно содержит слой железо-висмутового граната толщиной нанесенный на слой, выполненный из висмут-замещенного железо-иттриевого граната толщиной где - длина волны, n - показатель преломления света в магнитооптических слоях.

РИСУНКИ