Магнитофотонный кристалл микрорезонаторного типа

Устройство относится к оптической обработки информации и может быть использовано для управления когерентными потоками света в оптоэлектронных и магнитофотонных приборах, системах отображения, хранения и передачи информации.

Известна многослойная структура одномерного магнитофотонного кристалла (МФК) микрорезонаторного типа (BIG/YIG)⁴/BIG⁴ /(YIG/BIG)⁴, микрорезонатор которого состоит из восьми пар четверть-волновых слоев (по четыре пары снизу и сверху) висмутового (BIG) и иттриевого (YIG) феррогранатов, имеющих большой (BIG) и малый (YIG) показатели преломления, в середине которого размещен одноволновой слой BIG [Kahl, S. Enhanced Faraday rotation in all-garnet magneto-optical photonic crystal / S. Kahl , AM Grishin // Appl. Phys. Lett. - 2004. - Vol. 84, N 9 - P. 1438-1440]. Кристалл был изготовлен методом импульсного лазерного осаждения на подложке гадолиний-галлиевого граната (GGG), имевшей ориентацию (111). Толщина слоев микрорезонатора составляла: BIG - 70 нм, YIG -81 нм. Центральный слой BIG имел толщину 4 х 70 - 280 нм. Рабочая (резонансная) длина волны этого микрорезонатора, т.е. длина волны, на которой кристалл имеет максимальные значения коэффициента пропускания и угла фарадеевского вращения, определяется толщиной составляющих его слоев, и в данном случае составляла Яя=750 нм.

Недостатком устройства на основе такой структуры является невозможность его работы на различных длинах световых волн, вследствие наличия у микрорезонатора только одной резонансной длины волны.

Известна многослойная структура одномерного магнитофотонного кристалла (МФК) микрорезонаторного типа (Ta2C>5/SiO2)⁵/B: YIG/(SiO2/Ta2Os)⁵ , центральной частью которого является магнитооптический полуволновой слой висмут-замещенного железо-иттриевого граната Bi: YIG, расположенный между двумя интерференционными диэлектрическими зеркалами, каждое из которых состоит из пяти пар четверть-волновых слоев ТагСЬ и SiCb с показателями преломления, соответственно, п\ = 2,15 и т = 1,48 [М. Inoue, R. Fujikawal, A. Baryshev, A. Khanikaev, P Lim, H. Uchidal, A. Aktsipetrov, A. Fedyanin, Т. Murzina and A.Granovsky. Magnetophotonic crystals. Topical review. J. Phys. D: Appl. Phys. 39 (2006) R151-R161]. Кристалл изготавливался методом высокочастотного магнетронного распыления на стеклянную подложку марки Corning glassl737. Толщины слоев: Bi: YIG - 167 нм, SiCh - 111 нм, ТагСЬ - 92 нм. Резонансная длина волны AR ЭТОГО МФК составила 720 нм.

Недостатком устройства на основе такой структуры также является невозможность работы на различных длинах волн света вследствие наличия у микрорезонатора только одной резонансной длины волны.

В основу полезной модели поставлена задача усовершенствовать магнитофотонный кристалл микрорезонаторного типа путем повышения его функциональных возможностей за счет увеличения числа резонансных длин волн.

Поставленная задача решается тем, что магнитофотонный кристалл микрорезонаторного типа, включающий слой висмут-замещенного железо-иттриевого граната общей формулы Bi: YIG с показателем преломления п, расположенный между двумя Брэгговскими зеркалами, согласно полезной модели, слой висмут-замещенного железо-иттриевого граната выполнен из материала состава BizYs-zFesOn, где z = 0,5-3,0 ат./форм. ед., Брэгговские зеркала выполнены из 3 <N < 10 пар слоев с показателями преломления п\ и т, причем разница показателей преломления п\-т > 0,5, а п > т, Брэгговские зеркала и слой висмут-замещенного железо-иттриевого граната выполнены переменными вдоль одной из

сторон и постоянными вдоль второй, перпендикулярной к первой, стороны кристалла толщинами, причем толщины слоев в Брэгговских зеркалах являются четверть-волновыми, а толщина слоя Bi_zY3-_zFe5Oi2 является полуволновой для света, падающего на точки, которые лежат на линиях постоянных толщин магнитофотонного кристалла.

В таком магнитофотонном кристалле резонансная длина волны изменяется вдоль линий переменных толщин, поэтому кристалл является многорезонаторным и может работать на различных световых длинах волн при падении света на точки разных линий постоянных толщин, что параллельны одной из сторон прямоугольной рабочей грани МФК.

На Фиг. 1 представлено схематическое изображение многорезонаторного магнитофотонного кристалла. Кристалл изготовлен на кварцевой подложке 1. Оба его диэлектрических Брэгговских зеркала состоят из N пар чередующихся клиновидных слоев TiO? (2) и SiCb (3). Различные толщины слоев зеркал являются четверть-волновыми для света с различными длинами волн. Расположенный между зеркалами клиновидный слой висмут-замещенного железо-иттриевого граната Bi_zY3-_zFe5Oi2 (4) является полуволновым для того же света, для которого слои нижнего и верхнего зеркал в этой части МФК являются четверть-волновыми.

Магнитофотонный кристалл микрорезонаторного типа работает следующим образом. Сначала вдоль стороны кристалла с переменными толщинами слоев с фиксированным шагом (допустим, 3 мм) проводят измерения спектральных зависимостей коэффициента пропускания и угла фарадеевского вращения и определяют в этих точках (например, точки А - D на Фиг. 1) резонансные длины волн, то есть длины волн, при которых в этих точках кристалла пропускание и фарадеевское вращения максимальны. Кристалл располагается во внешнем магнитном поле напряженностью Н, направленном по нормали к поверхности кристалла и превышающем поле магнитного насыщения магнитооптического слоя. В точку А на поверхности кристалла по нормали направляют поток линейно поляризованного света (5) с длиной волны ЯА, которая для точки А является резонансной. Брэгговские зеркала под точкой А обеспечивают локализацию света с длиной волны ЯА В магнитооптическом слое (4), что вызывает многократное увеличение угла фарадеевского вращения вследствие многолучевой интерференции При этом на спектральных зависимостях коэффициента пропускания и угла фарадеевского вращения будут наблюдаться максимумы при длине волны ЯА. В других точках рабочей грани кристалла, не лежащих на линии постоянной толщины, резонансной для волны ЯА, пропускание и, соответственно, фарадеевское вращение будет отсутствовать при длине волны Яд.

При падении светового потока линейно поляризованного излучения (6) с длиной волны Яв в точку В входной грани кристалла будут наблюдаться максимумы коэффициента пропускания и фарадеевского вращения при длине волны Яв, потому что для точки В Яв является резонансной длиной волны. При падении света с длиной волны Яв на другие точки кристалла, не относящиеся к линии этой постоянной толщины, пропускание и, соответственно, фарадеевское вращение будут отсутствовать. Аналогичные изменения пропускания и фарадеевского вращения будут наблюдаться для других световых волн в других точках кристалла, например, в точках С и D, лежащих на других линиях постоянных толщин (см. Фиг. 1). Таким образом, один и тот же магнитофотонный кристалл в точках линий переменных толщин слоев кристалла можно использовать как микрорезонатор для различных длин волн. Пример.

Магнитофотонный кристалл микрорезонаторного типа был изготовлен на подложке из оптически прозрачного термостойкого ситалла размером 10 х 20 мм. Кристалл содержит два Брэговских зеркала, каждое из которых выполнено в виде пяти пар чередующихся слоев ТЮг и SiC>2 с оптическими толщинами равными, соответственно, Хк/4п\ и Яя/4«2, где п\ = 2,31 и т_ = 1,50 - показатели преломления света в слоях ТЮг и SiCh, соответственно. Между зеркалами расположен магнитооптический слой висмут-замещенного железо-иттриевого граната Bii,oY2_;oFe50i2 с оптической толщиной fajin, где п = 2,55 - показатель преломления

света слоя Bii,oY2,oFe50i2. Слои кристалла изготовлялись методом реактивного ионно-лучевого распыления соответствующих мишеней в аргоно-кислородной смеси. После нанесения на нижнее зеркало магнитооптического слоя проводили отжиг структуры на воздухе при атмосферном давлении при температуре 690 °С течение 20 минут. Затем напыляли верхнее зеркало. Резонансные длины волн AR ДЛЯ разных точек вдоль линий изменения толщин слоев кристалла (длинной стороны кристалла), лежали в диапазоне от 800 до 700 нм. В соответствии с этим диапазоном изменения AR ТОЛЩИНЫ слоев кристалла изменяются вдоль линий изменения толщин следующим образом:

слой ТЮг: от 87 до 75 нм;

слой SiO2 от 133 до 117нм;

слой Bii,oY2,oFe50i2 от 157 до 137 нм.

Распределение толщины вдоль длинной стороны кристалла является линейным для всех слоев и все слои являются клиньями. В этом примере при изготовлении слоев резонатора угол наклона подложки к потоку частиц распыляемой мишени, изменяется вдоль ее длинной стороны, а угол ее наклона к линии "центр подложки - центр мишени" составлял 45°.

Измерение магнитных и магнитооптических свойств магнитооптического слоя Bii,oY2,oFe50i2 после кристаллизации его на нижнем Брэгговском зеркале структуры и магнитофотонного кристалла в целом проводили с помощью магнитополяриметра на эффекте Фарадея путем измерения магнитооптических петель гистерезиса на длине световой волны 655 нм. Измерение спектральных зависимостей коэффициента пропускания проводили с помощью спектрофотометра СФ-14. Спектральные зависимости угла фарадеевского вращения измеряли на спектральной магнитооптической установке на базе спектрального комплекса КСВУ-6 с двойным дифракционным монохроматором МДР-6 в интервале длин световых волн от 400 до 800 нм. Измерение спектральных зависимостей коэффициента пропускания и угла фарадеевского вращения кристалла проводили в четырех точках кристалла вдоль клина с шагом 3 мм между точками. Было обнаружено, что в каждой из измеряемых точек существует фотонная запрещенная зона, в середине которой находятся резонансные пики пропускания и фарадеевского вращения. Значение резонансных длин волн в указанных точках составляли, соответственно, 780, 760, 745 и 720 нм, что свидетельствовало о том, что изготовленный магнитофотонный кристалл представляет собой микрорезонатор, который действительно работает на нескольких резонансных длинах волн.

Преимуществом предложенного магнитофотонного кристалла микрорезонаторного типа является то, что устройство на его основе дает возможность работать на разных резонансных длинах волн.

Магнитофотонный кристалл микрорезонаторного типа, включающий слой висмут-замещенного железо-иттриевого граната общей формулы Bi:YIG с показателем преломления n, расположенный между двумя Брэгговскими зеркалами, отличающийся тем, что слой висмут-замещенного железо-иттриевого граната выполнен из материала состава Bi _zY_3-zFe₅O₁₂, где z=0,5-3,0 ат./форм.ед., Брэгговские зеркала выполнены из 3N10 пар слоев с показателями преломления n₁ и n₂, причем разница показателей преломления n₁ -n₂0,5, а n>n₂, Брэгговские зеркала и слой висмут-замещенного железо-иттриевого граната выполнены переменными вдоль одной из сторон и постоянными вдоль второй, перпендикулярной к первой, стороны кристалла толщинами, причем толщины слоев в Брэгговских зеркалах являются четвертьволновыми, а толщина слоя Bi_z Y_3-zFe₅O₁₂ является полуволновой для света, падающего на точки, которые лежат на линиях постоянных толщин микрорезонатора.