ячеистая структура для магнитооптического пространственного модулятора света

Формула изобретения

ЯЧЕИСТАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ МАГНИТООПТИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВЕННОГО МОДУЛЯТОРА СВЕТА, содержащая нанесенный на немагнитную подложку слой магнитоодноосного материала с монодоменными областями, выполненными в виде углублений с плоским дном толщиной h, отличающаяся тем, что в качестве магнитоодноосного выбран материал, намагниченность насыщения и/или константа одноосной анизотропии которого способны изменяться по толщине дна не менее чем на 10% от их средних значений, а толщина дна h 0,7 l, где l - характеристическая длина магнитоодноосного материала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к физике, в частности к прикладной магнитооптике, и промышленно применимо в устройствах для управления светом, основанных на магнитооптическом эффекте Фарадея.

Известна ячеистая структура для магнитооптического пространственного модулятора света (МО ПМС), которую называют также магнитооптическим управляемым транспарантом, содержащая нанесенный на немагнитную подложку слой магнитоодноосного материала с монодоменными областями [1]. Недостатком этой ячейки является низкое быстродействие, поскольку переключение ее состояния происходит как коллапс цилиндрического магнитного домена (ЦМД) и доменная стенка проходит путь порядка радиуса ячейки.

Наиболее близкой к изобретению является ячеистая структура для МО ПМС, содержащая нанесенный на немагнитную подложку слой магнитоодноосного материала с монодоменными областями, выполненными в виде углублений с плоским дном [2].

Недостатками прототипа являются низкое быстродействие, поскольку переключение состояния ячеек в МО ПМС происходит как коллапс ЦМД, а также повышенное энергопотребление из-за достаточно большой толщины слоя в области дна углублений ( 3 мкм).

В ячеистой структуре для МО ПМС, содержащей нанесенный на немагнитную подложку слой магнитоодноосного материала с монодоменными областями, выполненными в виде углублений с плоским дном, углубления выполнены с толщиной дна h, не превышающей 0,7l, где l - характеристическая длина магнитоодноосного материала, а намагниченность насыщения и/или константа одноосной анизотропии изменяются по толщине слоя в области дна углублений не менее чем на 10% от их средних значений.

Как показал опыт, если намагниченность насыщения и/или константа одноосной анизотропии изменяются по толщине слоя в области дна углублений не менее чем на 10% от их средних значений, то изменяется механизм переключения состояния ячеек: коллапс ЦМД осуществляется не движением боковой доменной стенки по радиусу ячейки, а путем формирования и движения торцовой доменной стенки, параллельной дну углубления. Это позволяет повысить быстродействие на 2-3 порядка величины как из-за меньшего пути, проходимого торцовой доменной стенкой, так и более высокой скорости ее движения. При условии h < 0,7l удается обеспечить монодоменное состояние ячеек обычного размера около 100 мкм при достаточно высокой намагниченности насыщения ( 300 Гс). Это позволяет дополнительно повысить быстродействие как за счет увеличения подвижности доменных стенок и предельной скорости ее движения (обе эти величины пропорциональны намагниченности насыщения), так и за счет использования пленок толщиной 1 мкм и менее. При скорости доменных стенок 1000 м/с (такие значения достигаются в широком классе материалов) и толщине h = 0,5 мкм время переключения не превышает 1 нс.

Изобретение поясняется чертежом. Ячеистая структура содержит немагнитную подложку 1, на которую нанесен слой 2 магнитоодноосного материала с монодоменными областями 3, выполненными в виде углублений с плоским дном. Области 3 отличаются от областей 4 толщиной.

МО ПМС, использующий заявляемую ячеистую структуру, работает следующим образом.

Импульсом тока, подаваемым в два пересекающихся проводника, с амплитудой выше пороговой осуществляют переключение ячейки по механизму, который включает формирование торцовой доменной стенки и ее движение по толщине слоя 2 в области углублений 3. При записи информационных "0" и "1" импульсы тока имеют противоположную полярность. Поляризатор и анализатор, расположенные по обе стороны от ячеистой структуры, устанавливают так, чтобы при одной полярности свет, проходящий через поляризатор и монодоменную область, полностью гасился анализатором, а при другой полярности пропускался им. Переключая монодоменные ячейки в структуре по заданному закону, можно осуществить пространственную модуляцию света.

Монокристаллические пленки феррит-граната состава (Y,Lu,Bi)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ выращивали методом жидкофазной эпитаксии на подложках из гадолиний-галлиевого граната с ориентацией (111). Пленки имели исходную толщину 2 мкм, характеристическую длину l = 1,1 мкм и намагниченность насыщения 250 Гс. В пленках выполняли с помощью метода фотолитографии углубления с диаметром в области плоского дна 85 мкм и толщиной в этой области 0,55 мкм. В области дна формировались ЦМД диаметром, равным диаметру углублений. Время переключения состояний ячеек, измеренное методом высокоскоростной фотографии, при скорости доменных стенок около 10 м/с не превышало 0,06 мкс. Использование пленок состава (Y, Lu,Pr,Bi)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ с ориентацией (210) и орторомбической анизотропией позволило снизить время переключения до 10 нс (временное разрешение установки высокоскоростной фотографии). Намагниченность насыщения изменялась по толщине h на 15 мкм.