Оптическое материаловедение. Активные материалы
.pdf
12.4. Реализация магнитооптического эффекта
Магнитооптические эффекты используются в устройствах записи и хранения информации (магнитооптические диски), в системах управления лазерным излучением (для создания дефлекторов, оптических затворов, оптических изоляторов, для модуляции света), при конструировании невзаимных оптических элементов, лазерных гироскопов, элементов интегральной оптики и т.д.
Магнитооптические модуляторы
Магнитооптический модулятор осуществляет пространственную модуляцию световой волны при прохождении ее через перемагничиваемую доменную структуру тонкой магнитной пленки.
Принцип модуляции основан на периодическом повороте плоскости поляризации света в пленке при подаче периодического управляющего сигнала в обмотку управления.
Схема магнитооптического модулятора
1 – активная среда; 2 – катушка;
3 – поляризатор; 4 – анализатор;
5 – линзы.
Полученную фазовую модуляцию светового пучка с помощью анализатора преобразуют в амплитудную.
Современный магнитооптический модулятор (затвор, дефлектор) состоит из подложки из немагнитного монокристаллического материала, на которую нанесена тонкая монокристаллическая пленка ферримагнитного материала.
101
Ферромагнитная гранатовая пленка, обычно имеющая толщину 5–10 мкм, эпитаксиально выращивается на монокристаллической подложке (толщиной ~500 мкм) и обладает спонтанной намагниченностью насыщения Ms, которая обусловлена одноосевой анизотропией, ориентированной либо параллельно, либо антипараллельно по направлению нормали N к пленке.
В качестве подложки чаще всего используют прозрачные диэлектрики со структурой граната.
Активный элемент размещен между поляризатором и поляризатороманализатором (экспериментально реализуемых в виде поляризующих пленок).
Из поляризатора выходит линейнополяризованный свет с поляризацией в вертикальной плоскости.
При прохождении света через активную среду, помещенную в магнитное поле, наблюдается поворот плоскости поляризации луча.
При изменении направления собственной намагниченности на противоположное направление фарадеевского вращения изменяется с направления вращения по часовой стрелке на направление вращения против часовой стрелки и наоборот.
Анализатор обеспечивает преобразование изменения направления поляризации в изменение амплитуды.
Главным преимуществом магнитооптических модуляторов является малая потребляемая мощность (на порядок меньше, чем у лучших электрооптических модуляторов).
По быстродействию магнитооптические модуляторы значительно уступают электрооптическим (граничная частота обычно не превышает 104 Гц).
Кроме того, для их управления требуется большая напряженность магнитного поля.
Ограничивают применение магнитооптических модуляторов также малая глубина модуляции и сильное поглощение оптического излучения.
102
Оптические изоляторы
Оптические изоляторы используются в сложных широкополосных сетях, когда имеется множество подключений коннекторов, и в других оптических устройствах (разветвители, WDM устройства, оптические усилители).
Оптический сигнал, распространяясь по волокну, отражается от различных неоднородностей, образуемых оптическими соединителями, в результате такого отражения часть энергии возвращается обратно.
Оптический изолятор обеспечивает пропускание света в одном направлении почти без потерь, а в другом (обратном) направлении с большим затуханием.
Оптический изолятор состоит из трех элементов: поляризатора 1 (входного поляризатора), ячейки Фарадея 2 и анализатора 3 (выходного поляризатора).
Если в качестве источников излучения используются лазерные диоды, то отраженный сигнал, попадая в резонатор лазера, способен индуцированно усиливаться, приводя к паразитному сигналу.
а
б
Параметры ячейки Фарадея выбираются так, чтобы ось поляризации света, проходящего через нее, разворачивалась на 45°.
Под таким же углом устанавливаются оси поляризаторов.
Входной полезный сигнал, проходя через поляризатор 1, оставляет свою вертикальную составляющую без изменения, устраняя горизонтальную составляющую.
Далее вертикально поляризованный свет проходит через ячейку Фарадея 2, разворачивает плоскость поляризации на 45° и беспрепятственно проходит через анализатор 3.
103
При распространении света в обратном направлении он также поляризуется в плоскости анализатора 3, затем, проходя через ячейку Фарадея 2, становится горизонтально поляризованным.
Таким образом, оси поляризации света и поляризатора 1 составляют угол 90°, поэтому поляризатор 1 не пропускает обратное излучение.
Основными требованиями, предъявляемыми к оптическому изолятору, являются малые вносимые потери в прямом направлении (~1–2 дБ) и высокая изоляция (потери при распространении обратного сигнала) в обратном направлении (>30 дБ).
В диапазоне длин волн 1,3–1,55 мкм магнитооптическим материалом, используемым в ячейке Фарадея, является Y3Fe5O12.
Кроме того, должны обеспечиваться прозрачность во всем диапазоне рабочих длин волн, стабильность параметров при изменении температуры.
На длине волны 0,85 мкм используется магнитоактивное стекло.
104
Лекция 13. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МАГНИТООПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
Разработанные к настоящему времени магнитооптические устройства базируются чаще всего на монокристаллических пленках ферритов-гранатов и аморфных пленках сплавов редкоземельных и переходных металлов.
Несмотря на то, что в оптоэлектронике в настоящее время наибольшее распространение получили немагнитные среды: электро- и акустооптические кристаллы, сегнетокерамика, жидкокристаллические материалы, для ряда важных прикладных задач магнитоактивные среды по совокупности параметров оказываются предпочтительнее.
Все магнитоактивные материалы условно можно разделить на две группы:
К одной относятся относительно прозрачные магнитные материалы, перспективные для использования в устройствах, предназначенных для пространственновременной модуляции света.
Относительно прозрачными магнитными материалами являются ортоферриты, феррит-гранаты, ферриты со структурой шпинели и ряд других.
К другой группе относятся тонкие магнитные пленки на основе соединений редкоземельных элементов с элементами группы железа, а также MnBi, MnAs и ряд других систем.
Эти материалы обладают большим коэффициентом поглощения в видимом и инфракрасном диапазонах и используются обычно в виде тонких пленок толщиной порядка 0,1 мкм и менее.
Пригодность магнитных материалов для создания на их основе магнитооптических устройств зависит от совокупности магнитооптических свойств.
|
|
|
|
|
|
|
Наиболее важным свойством магнитооптических материалов является |
|
ψ = |
2θF |
|
|
коэффициент магнитооптической добротности, зависящий от угла |
|
. |
||
|
|
|
|||
|
фарадеевского вращения θF и коэффициента поглощения α. |
|
|
α |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
105
Вещество |
λ, мкм |
θF, град/см |
α, см–1 |
Y3Fe5O12 |
1,15 |
260 |
~ 1 |
|
0,43 |
2,8·104 |
7·104 |
(GdBi)3(FeAlGa)5O12 |
1,3 |
2,9·103 |
~ 1 |
|
0,8 |
8·103 |
~ 100 |
α-Fe2O3 |
1,15 |
40 |
|
MnBi |
0,63 |
9·105 |
5·105 |
CoRhFeO4 |
0,63 |
8·104 |
1,3·105 |
CoCrFeO4 |
0,63 |
3,5·104 |
4,5·104 |
Очень перспективным для применения в качестве магнитооптического материала является монооксид европия, который обладает рекордными значениями величины фарадеевского вращения (до 106 град/см).
Помимо кристаллических материалов, широко применяются магнитоактивные стекла (особенно в оптоволоконных технологиях).
Состав |
|
|
B2O3 (36–79) |
|
B2O3 |
(25–33) |
|
B2O3 (20–40) |
|
|
|
|
|||||
B2O3 |
(50–75) |
Al2O3 (6–32) |
|
Tb2O3 |
(20–31) |
|
ZnO (20–40) |
|
стекла, |
Al2O3 |
(15–25) |
K2O (12–28) |
|
GeO2 |
(15–25) |
|
GeO2 (10–40) |
мол. % |
GeO2 |
(10–25) |
Fe2O3 (1–4) |
|
Al2O3 |
(12–15) |
|
V2O5 (5–29) |
|
|
|
MnO (1–6) |
|
SiO2 (1–5) |
|
MnO2 (1–5) |
|
Постоянная |
|
|
|
|
|
|
|
|
Верде, |
0,11–0,20 |
0,1–1,6 |
|
0,38 |
|
0,15–0,28 |
||
мин/(см·Э) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Редкоземельные ортоферриты и ферриты-гранаты являются одними из лучших магнитооптических (МО) материалов, что обусловлено высокой прозрачностью для видимого и ближнего ИК-диапазонов, значительной величиной эффекта Фарадея и большим значением коэффициента оптической добротности (отношение угла фарадеевского вращения к коэффициенту поглощения).
106
13.1. Ортоферриты
Ортоферритами называется группа ферритов с химической формулой RFeO3 (где R – Y, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Sm или Eu).
Орторомбические кристаллы ортоферрита обладают структурой искаженного перовскита и принадлежат к группе симметрии D2h.
|
|
|
– ионы Y; – ионы Fe; –ионы О |
|
Они являются оптически двуосными и |
|
|
|
обладают большим двулучепреломле- |
|
|
|
нием. |
|
|
|
|
|
|
Если падающая на продольно намагниченный кристалл ортоферрита волна линейно поляризована, то на выходе из кристалла волна становится эллиптически поляризованной, при этом большая ось эллипса повернута на угол θэ по отношению к направлению линейной поляризации падающей волны.
В области 1,2–6 мкм для ортоферритов существует окно прозрачности, где поглощение мало (α ~ 1 см–1) и определяется примесями и разного рода несовершенством образцов.
Введение в ортоферриты немагнитных ионов Аl3+ и Ga3+ приводит к разбавлению железных подрешеток, снижению обменного взаимодействия и росту прозрачности в видимом диапазоне.
В инфракрасном диапазоне, где дисперсия двупреломления мала, значение ∆п = пх – пу для YFeО3 составляет (3…4)·10–2.
Двупреломление ортоферритов существенно ограничивает углы поворота плоскости поляризации при распространении света вдоль оси слабого ферромагнетизма.
107
Спектры поглощения ортоферритов имеют сильную зависимость от температуры (с ростом температуры край фундаментального поглощения резко сдвигается в область длинных волн).
Особенностью ортоферритов являются аномально большие по сравнению с железоиттриевым гранатом Y3Fe5O12 абсолютные значения θF, несмотря на то что намагниченность насыщения ортоферритов приблизительно в 20 раз ниже.
В большинстве ортоферритов из-за большого естественного двупреломления фарадеевское вращение, пропорциональное толщине образца, наблюдается только при распространении света вдоль оптической оси, т. е. под углом 50° к оси (001).
В YFeО3 величина θF в этом направлении достигает значения 4·103 град/см при длине волны λ = 0,6 мкм и убывает с ростом
длины волны по закону, близкому к λ–2 .
В сложнозамещенных соединениях с близким к нулю двупреломлением (например, в Nd0,8Pr0,2FeО3) при распространении света вдоль оси [001] величина θF пропорциональна толщине и достигает 8000 град/см для длины волны λ = 0,6 мкм (проекция вектора M на направление распространения света здесь вдвое больше, чем в YFeО3).
При не очень низких температурах в ортоферритах упорядочиваются только магнитные моменты ионов железа.
В таком состоянии ортоферриты являются антиферромагнетиками и обладают слабым ферромагнетизмом.
Только при очень низких температурах (несколько К) в ортоферритах упорядочиваются магнитные моменты редкоземельных ионов, и они становятся ферримагнетиками.
108
13.2. Ферриты-гранаты
Наиболее перспективными магнитооптическими материалами являются соединения на основе железоиттриевых гранатов.
Железоиттриевый гранат Y3Fe5O12 – хорошо изученное полупроводниковое вещество серо-зеленого цвета, ферримагнитное соединение, образующееся при взаимодействии окиси железа Fe2О3 с окисью иттрия Y2О3 и широко применяемое в магнитооптических устройствах.
Гранаты принадлежат к кубической сингонии (пространственная группа Ia3d).
Анионы кислорода образуют кубическую плотную упаковку, пустоты в которой заполняют меньшие по размерам катионы.
Тетраэдрическую, октаэдрическую и додекаэдрическую подрешетки образуют катионы, окруженные четырьмя, шестью и восемью анионами кислорода соответственно.
В одной формульной единице граната содержатся три додекаэдрические, две октаэдрические и три тетраэдрические позиции.
Ионы железа Fe3+ занимают окта- и тетраэдрические позиции в соотношении 2/3 и формируют две магнитные подрешетки с противоположно направленными спинами. Температура Нееля равняется примерно 555 K.
Окно прозрачности железоиттриевого граната составляет примерно 1–8 мкм. 
109
13.3. Эпитаксиальные магнитооптические среды
Для практического применения наиболее важны соединения на основе железоиттриевых гранатов в виде монокристаллов и эпитаксиальных пленок.
Достоинством магнитооптических устройств с эпитаксиальной магнитоактивной средой является возможность практически неограниченной их миниатюризации, поскольку размеры доменов в таких магнитоактивных средах могут составлять
0,1–1 мкм.
Кроме того, в таких магнитооптических устройствах отсутствуют значительные управляющие напряжения и мощности, свойственные электрооптическим модуляторам.
Все это значительно повышает целесообразность использования магнитооптических устройств в волоконно-оптических линиях связи, где требования миниатюризации выдвигаются на первое место.
Принцип действия магнитооптических модуляторов со смещением доменной структуры может быть положен в основу магнитооптических вентилей, затворов, циркуляторов и оптронов.
Ферромагнитная пленка Y3Fe5O12 обладает одноосной анизотропией с осью 0z легкого намагничивания, перпендикулярной поверхности пластины.
|
|
|
|
|
|
В подобных пленках образуется лабиринтная (а) |
|
|
|
|
или полосовая (б) доменная структура (намаг- |
|
а |
б |
|
ниченность в соседних доменах направлена |
|
||
|
вдоль или против оси 0z). |
|
|
|
|
|
|
|
|
В стандартных пленках ферритов-гранатов толщиной 5–10 мкм домены имеют ширину около 10 мкм, а угол поворота плоскости поляризации может достигать нескольких градусов (в зависимости от длины волны света).
110