Магнитооптический пространственный модулятор света и способ управления им

 

Изобретение относится к прикладной магнитооптике и применимо в устройствах для управления светом, основанных на магнитооптическом эффекте Фарадея. Сущность изобретения: модулятор содержит структуру из магнитоизолированных ячеек, выполненных на подложке из немагнитного граната. Ячейки выполнены из феррит-граната с точкой компенсации момента импульса при рабочей температуре. Между ячейками расположены две системы из взаимно перпендикулярных проводников, выполненных из высокотемпературного сверхпроводника. Кроме того, модулятор содержит термостат с оптическими окнами, внутри которого расположена мезаструктура и проводники. Переключение ячеек происходит посредством механизма вращения намагниченности. Релаксация ячеек, которые не должны быть переключены в исходное состояние, происходит под действием импульсов тока противоположной полярности. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

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

Известен магнитооптический пространственный модулятор света (МО ПМС), называемый также магнитооптическим управляемым транспарантом, содержащий мезаструктуру из магнитоизолированных ячеек, выполненных из феррит-граната, на подложке из немагнитного граната и две системы из взаимно перпендикулярных проводников [1] Недостатком этого МО ПМС является низкое быстродействие (25 мкс) вследствие использования термомагнитного способа переключения.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является известный МО ПМС, содержащий мезаструктуру из магнитоизолированных ячеек, выполненных из феррит-граната, на подложке из немагнитного граната и две системы из взаимно перпендикулярных проводников [2] Известен также способ управления МО ПМС, включающий подачу импульсов тока в систему из взаимно перпендикулярных проводников [2] Недостатком прототипов является невысокое быстродействие (1 мкс), поскольку для переключения ячеек используется механизм движения доменных стенок.

Цель изобретения повышение быстродействия МО ПМС.

Для этого известный МО ПМС, содержащий мезаструктуру из магнитоизолированных ячеек, выполненных из феррит-граната, на подложке из немагнитного граната и две системы из взаимно перпендикулярных проводников, дополнительно содержит термостат с по крайней мере одним прозрачным окном, внутри которого расположена мезаструктура и системы проводников, феррит-гранат выполнен с точкой компенсации момента импульса, а проводники выполнены из высокотемпературного сверхпроводника с точкой перехода в сверхпроводящее состояние выше рабочей температуры.

Для этого также в известном способе управления МО ПМС, включающем подачу импульсов тока в две системы из взаимно перпендикулярных проводников, во взаимно перпендикулярные проводники подают по крайней мере два последовательных импульса противоположной полярности, причем амплитуда первого импульса такова, что Н_и.д < Н_вр, где Н_и.д напряженность магнитного поля, создаваемого при подаче первого импульса тока в каждый из двух пересекающихся проводников, в точке ячейки, наиболее удаленной от места пересечения проводников, Н_вр пороговое поле вращения намагниченности, а его длительность Т_и, такова, что Т₂ < Т_и < Т₁, где Т₂ время переключения ячейки посредством механизма вращения намагниченности при подаче импульсов тока в оба пересекающихся проводника, Т₁ время переключения ячейки посредством вращения намагниченности при подаче импульса тока в один проводник, а амплитуда второго импульса тока такова, что Н_и.б < Н_вр. где Н_и.б напряженность магнитного поля, создаваемого при подаче импульса тока в каждый из двух пересекающихся проводников, в точке ячейки, наиболее близкой к месту пересечения проводников, при этом напряженность магнитного поля, создаваемого при подаче второго импульса тока в один из проводников, во всех точках ячеек, расположенных по обе стороны от этого проводника, превышает коэрцитивную силу.

В частности, для повышения надежности переключения ячеек, содержащих область с пониженной анизотропией, импульсы тока подают в те проводники, точка пересечения которых наиболее удалена от области переключаемой ячейки с пониженной анизотропией.

В частности, для повышения надежности переключения ячеек с асимметричной формой или асимметрично расположенных относительно проводников, импульсы тока подают в те проводники, точка пересечения которых ближе всего расположена к наиболее удаленной от этой точки области смежных ячеек.

Для переключения намагниченности в заданной ячейке (что эквивалентно открытию или закрытию светового канала) в пару пересекающихся на углу этих ячеек проводников подают импульсы тока. Результирующие магнитные поля, создаваемые этими импульсами, суммируются вблизи угла заданной ячейки, в результате чего происходит ее переключение. Для того, чтобы на пересечении двух проводников переключалась лишь одна ячейка, в одном из углов с помощью ионной имплантации создают пониженную анизотропию, ячейки выполняют асимметричной формы или проводники располагают асимметрично относительно смежных ячеек. При подаче импульсов тока в оба пересекающихся проводника с такой амплитудой, что Н_и.д > Н_вр, и такой длительностью, что Т₂ < Т_и < Т₁, во всех точках переключаемой ячейки начинается вращение намагниченности, которое является неоднородным. В других ячейках, смежных с пересекающимися проводниками также начинается неоднородное вращение намагниченности, которое имеет место по всей или части поверхности этих ячеек. В обоих случаях за время Т_и их переключение не успевает закончиться, а под действием второго импульса тока, имеющего противоположную полярность, ячейка возвращается в исходное состояние. В первом случае после подачи первого импульса тока переключение смежных ячеек (как и переключаемой ячейки) осуществляется движением так называемой волны опрокидывания магнитных моментов (ВОММ), что является следствием зависимости локального времени перемагничивания от действующего в этой точке магнитного поля. Вследствие именно этой зависимости, которая является линейной, переключение переключаемой ячейки успевает закончиться, а остальных смежных нет. После окончания действия первого импульса тока и начале действия второго ВОММ в смежных ячейках из-за противоположной полярности второго импульса тока начинает двигаться в обратную сторону и затем превращается в обычную доменную стенку, движением которой и заканчивается релаксация смежных ячеек в исходное состояние. Переключаемая ячейка под действием второго импульса тока не меняет своего состояния, поскольку напряженность создаваемого этим импульсом магнитного поля во всех точках переключаемой ячейки недостаточна для ее перемагничивания по механизму вращения намагниченности, а механизм зарождения и движения доменных стенок не реализуется при отсутствии магнитных дефектов.

Поскольку время перемагничивания по механизму вращения намагниченности пропорционально гиромагнитному отношению, то мезаструктуру из магнитоизолированных ячеек выполняли из феррит-граната с компенсацией момента импульса при рабочей температуре, что обеспечивало повышенное гиромагнитное отношение. Использование термостата для поддержания рабочей температуры является очевидным. Однако одновременное использование феррит-граната с компенсацией момента импульса и термостата не позволяет достичь поставленной цели, если не использовать проводники, выполненные из высокотемпературного сверхпроводника с точкой перехода в сверхпроводящее состояние выше рабочей температуры. Использование любых других проводников даже при обеспечении надежного теплоотвода приводит к импульсному локальному нагреву переключаемой ячейки. Этого оказывается достаточно для резкого снижения гиромагнитного отношения, поскольку его температурная зависимость имеет резкий резонансный характер и изменение температуры на величину порядка 1 К приводит к уменьшению гиромагнитного отношения практически на порядок. Между тем для обеспечения механизма вращения намагниченности требуются магнитные поля порядка и более 10³ Э и токов порядка 10² А (при типично используемых размерах ячеек). Создание таких полей без нагрева ячеек возможно лишь при выполнении проводников из высокотемпературных сверхпроводников, а использование феррит-гранатов с компенсацией момента импульса и термостата, поддерживающего рабочую температуру, равную температуре компенсации магнитного момента в феррит-гранате обеспечивает повышенное гиромагнитное отношение (в 10-100 раз и более), и, как следствие, высокую скорость вращения намагниченности. Оценка показывает, что при оптимальном выборе параметров МО ПМС время переключения может быть 1-10 пс.

Заметим, что оптимизация параметров феррит-граната путем снижения поля одноосной анизотропии как за счет выбора состава материала, так и за счет его отжига позволяет снизить требуемые амплитуды токов по крайней мере на порядок.

На фиг. 1 изображен фрагмент МО ПМС, где показано направление тока в проводниках и направление магнитного поля в ячейках (переключаемая ячейка в центре); на фиг. 2 и 3 также показаны фрагменты МО ПМС. Отличие состоит в том, что на фиг. 1 ячейки содержат области с пониженной анизотропией (заштрихованы), на фиг. 2 ячейки асимметричны относительно осей, параллельных проводникам и проходящих по середине между ними, а на фиг. 3 края квадратных ячеек неравноудалены от смежных параллельных проводников. На фиг. 4 показана эпюра первого I₁ и второго I₂ импульсов тока. На фиг. 5 и 6 показан МО ПМС в сборе.

МО ПМС содержит подложку из немагнитного граната 1 с нанесенными на нее мезаструктурой из магнитоизолированных ячеек и двух систем взаимоортогональных проводников, разделенных изолирующим слоем (на фиг. 5 и 6 не показаны). Проводники могут быть нанесены непосредственно на подложку 1 между ячейками мезаструктуры или на отдельную прозрачную подложку и совмещены с мезаструктурой. Подложка 1 с мезаструктурой помещена в термостат 2, имеющий прозрачные окна 3 и 4, причем два при работе на просвет (фиг. 5), одно при работе на отражение (фиг. 6). Кроме того, при работе используется источник света 5, поляризатор 6, анализатор 7, коллимирующая линза 8, а при работе на отражение светоделитель 9 (фиг. 6). Технология изготовления мезаструктур является стандартной. Мезаструктуры изготовлены из известных висмутсодержащих монокристаллических пленок феррит-гранатов по известной технологии. Для изготовления проводников могут быть использованы любые высокотемпературные сверхпроводники с температурой перехода в сверхпроводящее состояние выше температуры кипения жидкого азота и любая известная технология их нанесения. В принципе могут быть использованы и другие сверхпроводники, поскольку выбором состава феррит-граната температура компенсации момента импульса может быть сделана любой, не превышающей температуру Нееля феррит-граната.

МО ПМС работает следующим образом.

Свет от источника 1 проходит (фиг. 5) через коллимирующую линзу 8, поляризатор 6, входное окно 3, подложку с мезаструктурой 1, выходное окно 4 и анализатор 7. Поляризатор 6 и анализатор 7 установлены таким образом, что свет, проходящий через ячейки с одним направлением намагниченности ("закрытые"), полностью гасится анализатором 7, тогда как свет, прошедший через ячейки с противоположным направлением намагниченности ("открытые"), проходит через анализатор. Наличие "открытых" и "закрытых" ячеек обеспечивает пространственную модуляцию света. Временная модуляция достигается путем переключения (перемагничивания) заданных ячеек при подаче последовательности из двух импульсов тока (фиг. 4) в соответствующие проводники.

Как следует из фиг. 1-3, два пересекающихся проводника создают совпадающее по направлению магнитное поле не в одной, а в двух ячейках вблизи точки пересечения проводников, что создает условия для переключения не только заданной, но и другой ячейки, где поля от каждого из двух проводников суммируются (для двух других ячеек, смежных с обоими проводниками, создаваемые ими магнитные поля вычитаются). После подачи первого импульса тока последняя ячейка также начинает переключаться посредством механизма вращения намагниченности, однако ее переключение не заканчивается, что может быть обеспечено, в частности, одним из трех способов. В первом из них (фиг. 1) в ячейках создается область с пониженной анизотропией, причем она расположена не вблизи точки пересечения переключающих проводников, как в прототипе, а на наибольшем удалении от нее, где напряженность магнитного поля, создаваемого двумя проводниками, минимальна. Однако эта напряженность оказывается достаточной для переключения области с пониженной анизотропией по механизму вращения намагниченности, тогда как аналогичная область в другой ячейке, расположенная симметрично относительно точки пересечения проводников, вследствие недостаточно высокого переключающего поля не перемагничивается по механизму вращения намагниченности. Движение ВОММ в этой области заканчивается формированием доменной стенки, медленное движение которой не позволяет закончиться процессу перемагничивания ячейки в момент окончания первого импульса тока (фиг. 4). После подачи второго импульса тока рассматриваемая ячейка релаксирует к исходному состоянию по тому же механизму, что и другие ячейки, смежные только к одному проводнику. Это достигается, если значение Т_и превышает Т₂ не более, чем на ΔТd/V, где d размер области с пониженной анизотропией в направлении движения ВОММ, V средняя скорость доменной стенки под действием магнитного поля, создаваемого двумя проводниками в области с пониженной намагниченностью.

Во втором способе (фиг. 2) ячейка, которая не должна переключаться, "удлиняется" в направлении движения ВОММ (по диагонали ячеек). Удаленность этого "удлинения" также обеспечивает прерывание процесса вращения намагниченности из-за того, что действующее магнитное поле становится меньше Н_вр. В третьем случае ячейки располагаются несимметрично относительно центра между одной или обеими парами проводников (указанный центр и центр симметрии симметричной ячейки не совпадают). В этом случае d расстояние между центрами, а во втором случае размер "удлинения", при этом V скорость в области ячейки, наиболее удаленной от точки пересечения проводников.

Важной особенностью процесса вращения намагниченности в ячейках является четкий порог для Н_вр (характерный разброс порога менее 1 Э при Н_вр 1000 3000 Э). Тот факт, что переключение ячеек происходит не только при превышении четкого порога, но и при превышении длительностью переключающего импульса критического значения позволяет повысить надежность переключения.

Возможность осуществления изобретения обеспечивается применением известных материалов с известными технологиями получения, а также детально исследованных механизмов движения доменных стенок и вращения намагниченности.

Мезаструктуры изготовляли из монокристаллических пленок ферритграната состава (Bi, Tm)₃ (Fe, Fa)₅O₁₂, выращенных на подложках из гадолиний-галлиевого граната с ориентацией (III) и имеющих точку компенсации момента импульса при 80 К, при этом Н_вр составляло 520 Э. Ячейки имели характерный размер 50 мкм при периоде ячеек 75 мкм. Проводники изготовляли из сверхпроводящих пленок систем Y-Ba-Cu-O с температурой перехода в сверхпроводящее состояние 92 К. Превышение над пороговым значением Н_вр в точке переключаемой ячейки с наименьшей напряженностью действующего магнитного поля составляло 5% при этом размер области "удлинения" составлял 15% что обеспечивало безошибочное переключение ячейки в матрице размером 32 х 32 элемента. В термостате поддерживалась температура 80 К посредством продувки парами азота. Длительность первого импульса тока составляла 0,1 нс, длительность второго импульса 50 нс, а его амплитуда была такова, что не происходило перемагничивание ячеек, если этот импульс подавался первым.

Формула изобретения

1. Магнитооптический пространственный модулятор света, содержащий мезаструктуру из магнитоизолированных ячеек, выполненных из феррит-граната, на подложке из немагнитного граната и две системы из взаимно перпендикулярных проводников, отличающийся тем, что он дополнительно содержит термостат с по крайней мере одним прозрачным окном, внутри которого расположены мезаструктура и система проводников, феррит-гранат выполнен с точкой компенсации момента импульса при рабочей температуре, а проводники выполнены из высокотемпературного сверхпроводника с точкой перехода в сверхпроводящее состояние выше рабочей температуры.

2. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что ячейки выполнены с пониженной анизтропией в области, прилегающей к месту пересечения проводников.

3. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что форма ячеек асимметрична относительно осей, параллельных проводникам и равноудаленных от них.

4. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что проводники расположены асимметрично относительно смежных ячеек.

5. Способ управления магнитооптическим пространственным модулятором света, включающий подачу импульсов тока в две системы из взаимно перпендикулярных проводников, отличающийся тем, что во взаимно перпендикулярные проводники подают по крайней мере два последовательных импульса тока противоположной полярности, причем амплитуды первых импульсов тока таковы, что напряженность магнитного поля, создаваемого парой пересекающихся проводников, превышает пороговое поле вращения намагниченности во всех точках переключаемой ячейки, а амплитуды вторых импульсов тока таковы, что напряженность магнитного поля, создаваемого парой пересекающихся проводников, меньше порогового поля вращения намагниченности во всех точках переключаемой ячейки, при этом напряженности магнитных полей, создаваемых парой пересекающихся проводников в переключаемой ячейке одновременно, суммируются.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что длительности T_п первых импульсов тока таковы, что T₂ < T_п < T₁, где T₂ - время переключения ячейки посредством механизма вращения намагниченности при подаче первых импульсов тока в оба пересекающихся проводника; T₁ время переключения ячейки посредством механизма вращения намагниченности при подаче первого импульса тока в один из пересекающихся проводников.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что амплитуды вторых импульсов тока таковы, что напряженность магнитного поля, создаваемого парой пересекающихся проводников, превышает коэрцитивную силу во всех точках ячеек, в которых под действием первых импульсов тока происходило вращение намагниченности.

8. Способ по п.5, отличающийся тем, что длительности вторых импульсов тока превышают время, необходимое для реализации в исходное состояние всех, кроме переключаемой, ячеек, в которых под действием первых импульсов тока происходило вращение намагниченности.

9. Способ по п.5, отличающийся тем, что импульсы тока подают в те проводники, точка пересечения которых наиболее удалена от области переключаемой ячейки с пониженной магнитной анизотропией.

10. Способ по п.5, отличающийся тем, что импульсы тока подают в те проводники, расстояние от точки пересечения которых до края переключаемой ячейки минимально.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6