Нанофотоника и магнитоплазмоника

 

Приближение к существующим фундаментальным ограничениям быстродействия полупроводниковых устройств, область рабочих частот которых ограничивается гигагерцовым диапазоном, способствовало разработке принципиальных основ альтернативных полупроводниковой электронике отраслей – микроэлектроники сверхпроводников, спинтроники, нанофотоники, плазмоники и магнитоплазмоники, рабочие частоты устройств которых лежат в терагерцовой области.

К тонкопленочным многослойным средам, свойствами которых можно управлять с помощью внешнего магнитного поля, относятся одномерные магнитофотонные кристаллы (МФК) и магнитоплазмонные кристаллы (МПК).

Магнитофотонные кристаллы – пространственно упорядоченные системы со строго периодической модуляцией диэлектрической проницаемости в масштабах, сравнимых с длинами волн излучений в видимом и ИК диапазонах спектра, в состав которых входят магнитооптические (МО) слои. Управление свойствами распространяющегося в них света, осуществляется изменением параметров МО слоев с помощью магнитного поля. Это открывает качественно новые возможности для создания широкого спектра таких устройств как высокодобротные резонаторы, модуляторы, переключатели, затворы, циркуляторы, датчики магнитных полей и другие. Структура МФК микрорезонаторного типа представлена на рисунке 1.

Структура МФК микрорезонаторного типа

Рисунок 1. Структура МФК микрорезонаторного типа (1 –подложка, 2, 5 – m пар диэлектрических зеркал Брэгга, 3, 4 – двухслойная магнитная пленка, 6 – падающее излучение, Н – управляющее магнитное поле)

В течение последних нескольких лет НИЦ ФМиНТ КФУ им. В.И. Вернадского в сотрудничестве с ведущими академическими институтами Украины (ФТИНТ НАН Украины им. Б.И. Веркина и ИМАГ НАН и МОН Украины) проводил работы по синтезу и исследованию одномерных магнитофотонных кристаллов. За это время:

— были отработаны режимы синтеза и синтезированы наноразмерные МО слои ферритов-гранатов различного состава на различных подложках для МФК методом ионно-лучевого реактивного распыления;

— были рассчитаны, изготовлены и исследованы экспериментальные образцы одномерных МФК микрорезонаторного типа с одиночным (М1) и бинарным (М1/М2) МО слоями на подложках оптического кварцевого стекла марки КУ-1 и немагнитного гадолиний-галлиевого граната Gd3Ga5O12 (ГГГ) со структурами: подложка/(TiO2/SiO2)m/ М1 / М2 /(SiO2/TiO2)m, где М1/М2 – двухслойная МО пленка (М1 – состав Bi1,0Y0,5Gd1,5Fe4,2Al0,8O12, M2 – состав Bi2,8Y0,2Fe5O12, m – число пар слоев в зеркалах Брэгга).

В таблице приведены характеристики изготовленных МФК. Лучшие из представленных результатов превышают мировые аналоги, известные из научно-технической литературы. Результаты работы опубликованы в ведущих научных журналах и в трудах известных международных конференций. 

Подложка

m

Технические характеристики одномерных МФК

λR , нм

T , %

Q, о

оптическая толщина МО слоев

θF,
о / мкм

коэффициент усиления

Кварцевое стекло

4

719

33

6,9

λ/4М1+λ/4М2

-25,9

21

Кварцевое стекло

7

731

1,4

3,9

λ/4М1+λ/4М2

-53,9

44

ГГГ

4

675

12,4

8,1

λ/4М1+3λ/4М2

-36,2

27

ГГГ

7

654

1,8

5,2

λ/4М1+λ/4М2

-95,3

85

 Здесь: m – число пар диэлектрических слоев в зеркалах Брэгга; λR – резонансная длина волны; T  – коэффициент пропускания на λR; Q – добротность на λR; θF – удельное фарадеевское вращение.

 Следующим этапом в развитии физики и технологии многослойных тонкопленочных структур стали работы по разработке, изготовлению и исследованию магнитоплазмонных и плазмонных магнитофотонных кристаллов (МПК и ПМФК, соответственно). Характерной чертой указанных структур является наличие в них эффекта плазмонного резонанса, при котором наблюдается существенное усиление прямых и обратных МО эффектов. Благодаря прямым МО эффектам существует возможность управлять поляризацией и интенсивностью оптической волны с помощью магнитного поля. За счет обратных МО эффектов можно влиять на намагниченность материала с помощью оптической волны. Результаты исследований МПК могут быть использованы для создания новых устройств обработки и записи информации, передаваемой оптическими волнами.

В 2014 г. НИЦ ФМиНТ совместно с ИОФ РАН им. А.М. Прохорова (г. Москва) и Международным центром квантовой оптики и квантовых технологий (МЦКТ, Сколково) была выполнена НИР «Создание и исследование плазмонных магнитофотонных кристаллов на основе тонкопленочных многослойных гетероструктур для нанофотоники». Целью НИР являлось исследование возможности создания новых многослойных тонкопленочных гибридных гетероструктур с усиленными МО эффектами и оценка возможности их применения для нанофотоники.

Работы по созданию структур МФК были выполнены НИЦ ФМиНТ. Сотрудниками ИОФ РАН им. А.М. Прохорова и МЦКТ были выполнены расчеты оптимальных геометрических параметров золотых решеток для достижения максимальных значений интенсивностного экваториального эффекта Керра, эффекта Фарадея и поперечного МО эффекта Керра (ТMOKE). Одномерная золотая решетка (плазмонный резонатор) была сформирована на пленке золота, нанесенной на поверхность МФК, методом электронно-лучевой литографии и последующего lift-off процесса группой проф. А.В. Гопала (Институт фундаментальных исследований им. Тата, г. Мумбай, Индия). В результате было получено несколько образцов плазмонных структур с периодами от 370 до 640 нм и шириной воздушных щелей от 60 до 210 нм. Структура ПМФК представлена на рисунке 2 [N.E. Khokhlov, A.R. Prokopov, A.N. Shaposhnikov, V.N. Berzhansky, M.A. Kozhaev, S.N. Andreev, Ajith P. Ravishankar, Venu Gopal Achanta, D.A. Bykov, A.K. Zvezdin and V.I. Belotelov. J. Phys. D: Appl. Phys. 48 (2015) 095001].

структура плазмонного магнитофотонного кристалла с двухслойной магнитооптической пленкой М1/М2

Рисунок 2. (а) — структура плазмонного магнитофотонного кристалла с двухслойной магнитооптической пленкой М1/М2, диэлектрическими зеркалами Брэгга D1/D2 и плазмонной золотой решеткой; (b) — вид золотой решетки в сканирующем электронном микроскопе

Оптические и МО характеристики изготовленных структур МФК и ПМФК измерялись в МЦКТ. Было установлено, что резонансы на оптических и МО спектрах МФК обусловлены возбуждением микрорезонаторной моды, локализованной в магнитном слое. Показано, что существуют различные типы волноводных мод, локализованных в магнитной области и/или в зеркале Брэгга. В случае близости частот волноводных мод и мод микрорезонатора имеет место их гибридизация. При исследовании ПМФК было установлено, что для ТМ-поляризованного излучения волноводные моды эффективно взаимодействуют с плазмонной решеткой и их фактор качества модифицируется. Следствием этого является усиление эффекта Фарадея примерно на 50 % и TMOKE примерно вдвое в ПМФК по сравнению с МФК.

Практическая ценность результатов работы заключается в следующем:

— впервые была предложена и продемонстрирована концепция усиления МО эффектов путем наложения оптического резонанса в микрорезонаторном МФК и поверхностного плазмонного резонанса, создаваемого плазмонной металлической решеткой, нанесенной на поверхность МФК;

— впервые синтезированы и исследованы ПМФК на основе тонкопленочных многослойных гетероструктур. Продемонстрировано значительное усиление в них МО эффектов по сравнению с МФК: эффект Фарадея возрастал на 50 %, TMOKE возрастал вдвое.

Полученные результаты в дальнейшем планируется использовать для создания устройств нанофотоники.

 

 

 

 

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники