KR20080110767A - 가시광을 갖는 보강된 패러데이 회전을 갖는 자기-광학 광결정 다층 구조 - Google Patents

가시광을 갖는 보강된 패러데이 회전을 갖는 자기-광학 광결정 다층 구조 Download PDF

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Abstract

청색과 녹색 파장으로 자기-광학 물질을 생성하기 위한 장치, 방법, 시스템 및 컴퓨터-프로그램 프로덕트가 공개된다. 상기 장치는 지정된 가시 주파수의 성분을 포함하는 광 신호가 투과하는 기판과, 600나노미터 이하의 상기 지정된 가시 주파수에 대하여, 40% 이상의 파워와 24도/마이크론의 패러데이 회전율을 갖는 상기 성분을 투과시키기 위한 상기 기판 위에 위치하는 광학 다층의 스택(stack)을 포함한다. 상기 방법은 공개된 물질의 제조 및 조립에 대한 공정을 포함하며, 이때, 컴퓨터 프로그램 프로덕트는 공개되는 방법을 수행하기 위한 기계에 의해 실행될 수 있는 인스트럭션을 포함한다.

Description

가시광을 갖는 보강된 패러데이 회전을 갖는 자기-광학 광결정 다층 구조{MAGNETO-OPTO PHOTONIC CRYSTAL MULTILAYER STRUCTURE HAVING ENHANCED FARADAY ROTATION WITH VISIBLE LIGHT}
이 출원은 2005년 2월 14일에 출원된 US 특허 출원 제10/906,304호 “SYSTEM, METHOD, AND COMPUTER PROGRAM PRODUCT FOR MAGNETO-OPTIC DEVICE DISPLAY"와, 2006년 2월 9일에 출원된 US 특허 출원 제60/766,764호 "Nano-engineered magneto-photonic planar thin-films for a low power, high density digital cinema projector and flat panel display systems"에 관련되어 있으며, 상기 출원들은 본원에서 참조로서 인용된다.
본 발명은 일반적으로 다층(multilayer) 광학 물질에 대한 것이며, 더 세부적으로는 특정 파장의 가시 복사(visible radiation)에서의 보강된 패러데이 회전율(Faraday Rotation) 및 투과율을 발생하도록 조정된 보강형 다층 자기-광학 광 결정 물질(magneto-optic photonic crystal material)에 대한 것이다.
패러데이 효과(Faraday effect)라고 일컬어지는 패러데이 회전은 잘 알려져 있으며, 적외선 스펙트럼으로의 신호를 이용하는 원격통신 시스템(telecommunication system)으로의 그 응용예는 광범위하다. 간단히 말하자면, 전파 방향으로 자기장이 제공될 때, 패러데이 효과는 복사 신호의 편광 각도를 변화시키기 위한 것이다. 편광 각도의 변화의 크기는 자기장 세기와, 상기 자기장이 걸쳐 있는 거리와, 복사 신호가 통과하는 물질의 베르데 상수(verdet constant)의 함수이다.
원격 통신 시스템이 갖는 이점은 적외선 주파수를 이용하여 동작한다는 것이다. 적외선 주파수에서, 물질은 바람직한 베르데 상수와 바람직한 투과율 상수를 가진 채로 존재한다. 이들 적용예에 대하여, 패러데이 효과에 영향을 미치는 물질의 속성 및 구조가 광범위하게 찾아져 왔다.
자기-광학 디스플레이(magneto-optic display)에서 사용되기 위해, 자기-광학 물질이 고려되어 왔다. 잘 알려진 바와 같이, 일반적으로 디스플레이는 2가지 타입, 즉, 단색(monochromatic)과 다색(multicolor)이 있다. 명백하게, 디스플레이에 있어서, 복사 주파수(radiation frequency)는 가시 스펙트럼에 속한다. 자기-광학 디스플레이의 동작 주파수가 적외선 스펙트럼에서 가시 스펙트럼으로 감소됨에 따라서, 바람직한 유효 베르데 상수 값을 갖는 물질을 통과하는 복사의 투과율이 허용할만하지 않게 된다. 따라서 적, 녹 및 청(RGB)의 원색 패러다임을 이용하는 다색 디스플레이는 많은 이유로 아직 실현되지 못했는데, 한 가지 이유로는 요망 녹색 및 청색 파장의 충분한 패러데이 회전 값과 적합한 투과율을 갖는 적합한 녹색 및 청색 물질이 이용가능하지 않다는 것이다.
녹색 및 청색 스펙트럼에서 사용되기에 적합한 자기-광학 물질이 필요하다.
청색과 녹색 파장으로 자기-광학 물질을 생성하기 위한 장치, 방법, 시스템 및 컴퓨터-프로그램 프로덕트가 공개된다. 상기 장치는 지정된 가시 주파수의 성분을 포함하는 광 신호가 투과하는 기판과, 600나노미터 이하의 상기 지정된 가시 주파수에 대하여, 40% 이상의 파워와 24도/마이크론의 패러데이 회전율을 갖는 상기 성분을 투과시키기 위한 상기 기판 위에 위치하는 광학 다층의 스택(stack)을 포함한다. 상기 방법은 공개된 물질의 제조 및 조립에 대한 공정을 포함하며, 이때, 컴퓨터 프로그램 프로덕트는 공개되는 방법을 수행하기 위한 기계에 의해 실행될 수 있는 인스트럭션을 포함한다.
자기-광학 디스플레이 및 투사 시스템과 호환되는 자기-광학 물질이 구현된다. 공개된 물질에 의해, 적색, 녹색 및 청색(RGB)의 원색 패러다임을 이용하는, 단순하고, 효과적이며, 경제적인 다색 디스플레이가 가능해진다.
도 1은 본 발명에 따르는 다층 자기-광학 광결정(MPC) 모듈레이팅 시스테에 대한 바람직한 실시예이다.
도 2는 본 발명에 따르는 MPC에 대한 첫 번째 특정 실시예이다.
도 3은 본 발명에 따르는 MPC에 대한 두 번째 특정 실시예이다.
도 4는 본 발명에 따르는 MPC에 대한 세 번째 특정 실시예이다.
도 5는 본 발명에 따르는 MPC에 대한 대안적 층 배열에 대한 바람직한 실시예이다.
도 6은 도 2의 구조에 대한 투과율과 패러데이 회전 스펙트럼의 그래프의 세 트이다.
도 7은 도 3의 구조에 대한 투과율과 패러데이 회전 스펙트럼의 그래프의 세트이다.
도 8은 도 4의 구조에 대한 투과율과 패러데이 회전 스펙트럼의 그래프의 세트이다.
도 1은 본 발명에 따르는 다층 자기-광학 광 결정(MPC) 모듈레이팅 시스템(100)의 포괄적인 도시를 제공한다. 통상적으로 MPC 모듈레이팅 시스템(100)은, 편광된 복사(105)(가령, 우원편광되거나 좌원편광된 광)를 수신하기 위한 입력 측과, MPC 구조(110)와, 복사의 전파 방향에 평행하는 복사 상에 놓이는 자기장(B)에 의해 영향(가령, 패러데이 효과)받는 서로 다른 편광 회전(115)의 크기를 갖는 편광된 광을 투과시키기 위한 출력 측을 갖는 평면 구조이다.
MPC(110)는 특정한 두께와 요망 MPC 특성을 갖는 자기-광학 속성을 갖는 물질의 N개의 층을 지지하는 기판(120)을 포함한다. 층(120)을 적정하게 구조함으로써, 요망 파장의 입력 복사(105)에 대하여, 투과율과 회전 속성(gyration property)(부가된 자기장(B)에 대한 편광 응답의 측정치)이 얻어진다.
MPC(110)가 제조될 수 있는 여러 다른 방식이 존재하며, 바람직한 실시예는 다음의 공정 단계를 포함한다(그러나 본 발명은 이러한 공정에 의해 만들어지는 구조로 제한되지 않는다). 파장과 요망 물질 속성 및 층(120)의 조성에 따라서, 공정은 가돌리늄 갈륨 가넷(GGG: Gadolinium Gallium Garnet), 또는 그 밖의 다른 적정 한 지지 기판(가령, 실리콘 및 이와 유사한 물질)로 시작된다. 기판의 크기는 예상되는 용도 및 벌크 장치에서 형성될 픽셀의 개수에 따라 좌우되는데, 가령, 각각의 픽셀이 전도성 어레이를 발생하는 자기장으로 감싸지는 투사 시스템(projector system)에서 사용될 MPC의 바람직한 실시예에서, 128x128 픽셀 모듈에 대하여 10㎜x10㎜이고, 4096x2048 픽셀 모듈에 대하여 대략 100㎜x50㎜이다. 이러한 크기는 물론 임의의 특정 용도에 대하여 적응되거나 변경될 수 있다.
바람직한 제조 공정은, 가령 도 2, 도 3 및 도 4에서 도시된 바와 같이, 구조와 파장에 따라서 서로 다른 두께를 갖는 자성 물질 및 비-자성 물질의 다층을 스퍼터링하는 단계를 포함한다. 무선 주파수 스퍼터링(radio frequency sputtering)이 층(120)을 생성하기에 바람직하지만, 그 밖의 다른 층 생성 기법(layering technique)이 잘 알려져 있으며, 특정 구현예의 필요와 요구에 따라서, 이를 대체하여, 또는 이와 조합되어 사용될 수 있다. 다음에서 추가로 설명될 바와 같이, 바람직한 실시예는 각각의 층(120x)에 투과되는 광의 파장에 따라 좌우되는 두께를 제공한다. 또한 청색 파장이 이들 파장에서의 투과(transmission) 및 선회(gyration)를 개선하도록 다음의 대표적인 바람직한 구조가 설계됨이 이해되어진다. 다음의 설명에서, 청색, 녹색 및 적색에 대응하여, 청색 모듈에 대하여 λ=473㎚, 녹색 모듈에 대하여, λ=532㎚, 적색 모듈에 대하여 λ=632㎚의 파장을 사용한다.
스퍼터링은 물리적 공정이며, 활성 이온(energetic ion)에 의한 물질의 충격에 의해 고형의 표적 물질 내의 원자가 기체 상태로 탈출된다. 이는 박막 증 착(thin-film deposition)뿐 아니라, 분석 기법을 위해 흔하게 사용된다. 충격으로 인한 물질에서의 이온과 원자 간의 운동량 교환(momentum exchange)에 의해 스퍼터링이 크게 구동된다. 상기 공정은 원자 당구(atomic billiard)로서 설명되어질 수 있는데, 이때, 이온(큐 볼)이 밀접하게 뭉쳐 있는 원자(당구공)의 큰 덩어리에 충돌한다. 첫 번째 충돌이 원자를 상기 덩어리로 더 깊이 밀어 넣을지라도, 뒤따르는 원자들 간의 충돌에 의해, 표면에 가까이 위치하는 원자들 중 일부가 상기 덩어리로부터 탈출되어 진다. 주입 이온(incident ion) 당 표면으로부터 탈출된 원자의 개수는 스퍼터율(sputter yield)이라고 일컬어지며, 이는 스퍼터링 공정의 효율에 대한 중요한 척도이다. 스퍼터율을 좌우하는 그 밖의 다른 것들로는 주입 이온의 에너지와, 이온 및 표적 원자의 질량과, 고체에서의 원자의 결합 에너지가 있다. 스퍼터링 공정을 위한 이온은, 스퍼터링 설비로 유입되는 플라스마에 의해 공급된다. 실전에서, 다양한 기법이 사용되어, 최적 스퍼터링 상태를 얻도록, 플라스마 속성, 특히, 이온 밀도를 수정할 수 있는데, 가령, RF(무선 주파수) 교류를 사용하기, 자기장을 이용하기, 표적으로 바이어스 전압을 적용하기가 있다.
기체 상태로 탈출된 스퍼터링된 원자는 열역학적 평행 상태에 있지 않는다. 스퍼터링된 물질의 증착은 진공 챔버 내부의 모든 표면 상에서 발생하는 경향이 있다. 스퍼터링은, 반도체 산업의 집적 회로 공정에서 다양한 물질의 박막을 증착하기 위해, 광범위하게 사용된다. 광학 응용예를 위한 유리 상의 반사방지 코팅이 또한 스퍼터링에 의해 증착된다. 사용되는 낮은 기판 온도 때문에, 스퍼터링은 박막 트랜지스터를 위한 접촉 금속(contact metal)을 증착하기 위한 이상적인 방법이다. 아마도 스퍼터링의 가장 친숙한 제품은 이중 유리 창 조립체에서 사용되는 유리 상의 저방사 코팅(low emissivity coating)이다. 상기 코팅은 은과, 금속 옥사이드(가령, 아연 옥사이드, 또는 주석 옥사이드, 또는 티타늄 옥사이드)를 포함하는 다층이다.
증착 기법으로서의 스퍼터링의 하나의 중요한 이점은 증착된 막이 소스 물질(source material)과 동일한 조성을 갖는다는 것이다. 막과 표적의 화학량의 동일함은 놀라운 일일 수 있는데, 왜냐하면, 스퍼터율은 표적의 원자의 원자량에 따라 달리지기 때문이다. 따라서 합금이나 혼합물의 하나의 성분이 그 외 다른 성분에 비해 더 빨리 스퍼터링되어, 증착물에서 상기 성분이 풍부해지는 것이 예측될 수 있다. 그러나 표면의 원자만 스퍼터링될 수 있기 때문에, 하나의 원소의 더 빠른 탈출이 표면을 그 밖의 다른 원소로 풍부하게 만들며, 이는 스퍼터 속도(sputter rate)의 차이를 효과적으로 상쇄시킬 수 있다. 열 증발 기법과 달리, 소스 중 하나의 성분이 더 높은 증기 압력을 가질 수 있고, 이는 소스와는 다른 조성을 갖는 증착된 막을 도출시킬 수 있다.
또한 스퍼터 증착은, 그 속도 때문에, 분자 빔 에피택시(MBE: molecular beam epitaxy)에 비해 이점을 갖는다. 더 높은 속도의 증착은 더 낮은 불순물 함유를 야기하는데, 왜냐하면, 동일한 시간 동안 더 적은 불순물이 기판의 표면에 도달할 수 있기 때문이다. 따라서 스퍼터링법은 MBE법이 허용할 수 있는 진공 압력보다 훨씬 더 높은 불순물 농도를 갖는 공정 기체를 이용할 수 있다. 스퍼터링 증착 동안, 기판은 활성화된 이온(energetic ion) 및 중성 원자에 의해 충격을 받을 수 있 다. 기판 바이어스에 의해 이온이 편향될 수 있고, 탈-축 스퍼터링(off-axis sputtering)으로 인해 중성 충격(neutral bombardment)이 최소화될 수 있는데, 증착 속도만 희생될 뿐이다. 플라스틱 기판은 충격에 내성을 갖지 않을 수 있으며, 보통 증발을 통해 코팅된다.
스퍼터 건(sputter gun)은 일반적으로, 강력한 전기장 및 자기장에 따라 좌우되는 마그네트론(magnetron)이다. 스퍼터 기체(sputter gas)는 비활성 기체, 일반적으로 아르곤이다. 스퍼터링 공정은 표적의 인접부에 위치하는 그 밖의 다른 전기장이나 자기장에 의해 교란될 수 있다. 높은 속도에서 애노드-캐소드 바이어스가 변화되는 RF 스퍼터링을 이용하여 절연 표적 상의 전하 구축(charge build-up)이 피해질 수 있다. RF 스퍼터링은 높은 절연성의 옥사이드 막을 생성하기 위해 효과적이며, RF 전력 공급기 및 임피던스 정합 네트워크의 비용만 추가된다. 또한 강자성 표적으로부터 누설되는 표유 자기장(stray magnetic field)이 스퍼터링 공정을 교란시킨다. 특히 강력한 영구 자석을 이용하는 특수하게 설계된 스퍼터 건이 종종 보상을 위해 사용되어야 한다.
이온-빔 스퍼터링(IBS: Ion-Beam Sputtering)은 표적이 이온 소스(ion source)의 외부에 위치하는 방법이다. 카우프만 소스(Kaufman source)에서, 마그네트론에서와 같이, 자기장에 의해 가둬진(confined) 전자와의 충돌에 의해 이온이 발생된다. 그 후, 상기 이온들은 격자(grid)로부터 방사되는 전기장에 의해, 표적쪽으로 가속된다. 이온은 소스를 떠나자마자, 제 2 외부 필라멘트로부터의 전자에 의해 중성화된다. 표적에 충돌하는 플럭스가 중성 원자로 구성되어 있기 때문에, 절연성 표적, 또는 전도성 표적이 스퍼터링될 수 있다. IBS는 디스크 드라이브를 위한 박막 헤드(thin-film head)의 제조에서 응용되어왔다. IBS의 주요 단점은 이온 소스를 계속 동작하게 하기 위해 요구되는 막대한 양의 유지 비용이다.
반응성 스퍼터링(reactive sputtering)은, 표적 물질과 진공 챔버로 유입되는 기체 간의 화학 반응에 의해 증착된 막이 형성되는 기법을 일컫는다. 종종 옥사이드 및 나이트라이드 막이 반응성 스퍼터링을 이용하여 제조된다. 비활성 기체 및 반응성 기체의 각각의 압력을 변화시킴으로써 막의 조성은 제어될 수 있다. 막의 화학량은 가령, SiNx에서의 압력 및 SiOx의 지수 등의 기능적 속성을 최대화하기 위한 중요한 매개변수이다. 광전자소자(optoelectronics) 및 태양광 전지에서 사용되는 투명한 인듐 틴 옥사이드 컨덕터가 상기 반응성 스퍼터링에 의해 만들어진다.
이온-보조 증착(IAD: Ion-Assisted Deposition)에서, 기판이 스퍼터 건보다 더 낮은 전력에서 동작하는 2차 이온 빔에 노출된다. 일반적으로 IBS에서 사용되는 것과 같은 카우프만 소스가 상기 2차 빔을 제공한다. IAD는 탄소를 기판 상에 다이아몬드상(diamond-like) 형태로 증착하기 위해 사용될 수 있다. 다이아몬드 결정 격자에 적정하게 접착하는 것이 실패된 기판 상으로 착륙하는 임의의 탄소 원자가 2차 빔에 의해 떨어질 것이다. NASA는 1980년대에 터빈 날 상에 다이아몬드 막을 증착하기 위한 실험에 이 기법을 사용했다. IAS는 그 밖의 다른 중요한 산업 응용예, 가령, 하드 디스크 플래터 상에 4면체 비정질 탄소 표면 코팅을 생성하는 경우와 의료용 임플란트 상에 전이 금속 나이트라이드 코팅을 생성하는 경우에서 사용 된다.
바람직한 실시예에서, 스퍼터링 표적은 상업적으로 이용가능하거나, 층(120)의 개수 및 타입/조성에 대하여 맞춤 제작되고, 설계될 수 있다. 도 2 내지 도 4에서 도시된 구조에서, 요구되는 스퍼터링 표적의 최대 개수는 3이다. 그러나 그 밖의 다른 실시예 및 구현예에서, 이 숫자 이상일 수 있는데, 가령, 6-8(또는, 이 이하, 또는 이 이상)이 대안적인 바람직한 구조를 얻기 위해 사용될 것이다.
도 2는 본 발명에 따르는 MPC(200)에 대한 첫 번째 바람직한 특정 실시예이다. 도 6은 도 2의 구조에 대한 투과율과 패러데이 회전 스펙트럼의 그래프 세트이다. MPC(200)는 GGG의 기판과, "M"과 “L"로 지정된 2개의 물질의 층을 포함하며, 이때, M은 비스무트 치환된 이트륨 철-가넷(Bi:YIG)이며, M은 기판과 동일하다, 즉 GGG이다. MPC(200)에 대한 설계 파장은 473㎚이며, 각각의 층은 λ/4n과 거의 동일한 두께를 갖는데, 이때, n은 특정 층 물질에 대한 지수이다. 가령, n(L)은 약 1.97이고, n(M)은 약 2.8이다. 따라서 약 662.4㎚의 모든 층의 총 두께에 대하여, 각각의 L 층의 두께는 약 60.02㎚이고, 각각의 M 층의 두께는 약 42.23㎚이다. 간략성을 위해, MPC(200)의 두께의 배열은, 도 2에서 도시된 바와 같이 배열되는, 기판의 상부 상에 위치하는 총 4개의 L 층과 10개의 M 층이 존재함을 나타내는 시퀀스 S(ML)2(M)6(LM)2에 따라서 기술된다. 일부 증착, 또는 스택 시스템에서, MPC(200)의 (M)6 섹션은 하나의 층의 두께가 6*42.23㎚인 6개의 독립적인 M의 층이거나, 이와 동일하거나 유사한 결과를 발생시키는 층들의 조합일 수 있다. 도시된 바와 같이 구조된 MPC(200)은 (약 24degree/micron의 내재적 회전율을 제공하는) 0.04-0.2i의 선회율을 발생시킨다. 흡수도 -α(M)는 약 7000㎝-1이고, α(L)은 약 100㎝-1이며, 모든 층에 대한 두께의 표준 편차는 약 0.5㎚(~1%)이다.
도 3은 본 발명에 따르는 MPC(300)에 대한 두 번째 특정 바람직한 실시예이다. 도 7은 도 3의 구조에 대한 투과율 및 패러데이 회전 스펙트럼의 그래프 세트이다. MPC(300)는 SiO2의 기판(또는, 일부 경우 GGG의 기판)과, “M", "L" 및 ”H"로 지정된 3가지 물질의 층을 포함하며, 이때, M은 바람직한 특정 패러데이 회전율을 갖는 Bi3Fe5O12(대안적으로는 Ce-도핑된)이며, L은 GGG이고, H는 ZnO 및/또는 Ta2O5이다. MPC(300)에 대한 설계 파장은 또한 473㎚이고, 각각의 층은 λ/4n과 거의 동일한 두께를 가지며, 이때, n은 특정 층 물질에 대한 지수이다. 가령, n(기판)=2.1, n(L)은 약 1.9, n(M)은 약 2.8 및 n(H)는 약 2.0이다. 따라서 약 2300㎚의 모든 층의 총 두께에 대하여, 각각의 L 층의 두께는 약 62.23㎚이며, 각각의 M 층의 두께는 약 42.23㎚이며, 각각의 H 층의 두께는 약 59.12㎚이다. 간략성을 위해, MPC(300)의 층의 배열은, 도 3에서 도시된 바와 같이 배열된, 기판의 상부 상에 위치하는 총 12개의 L 층과 19개의 M 층과 13개의 H 층이 존재함을 나타내는 시퀀스 S(H)1(M)13(HL)10(M)6(LH)2에 따라서 설명된다. 도 3에서 도시된 바와 같이, 편리성을 위해, 층들을 식별하기 위한 도식은, MPC(300)의 부분에서, H와 L의 교대하는 층의 10개의 시퀀스가 존재함을 의미하는 10@HL로서 사용된다. 흡수도 -α(M)는 약 7000㎝-1이고, a(L)은 약 100㎝-1이다.
도 4는 본 발명에 따르는 MPC(400)의 세 번째 특정 바람직한 실시예이다. 도 8은 도 4에 대한 투과율 및 패러데이 회전 스펙트럼의 그래프의 세트이다. MPC(400)는 SiO2의 기판(또는 일부 경우, GGG의 기판)과, “M"과 "L"로 지정된 2개의 물질의 층을 포함하며, 이때, M은 상자성(paramagnetic) CdMnTe이고, L은 SiO2이다. MPC(400)에 대한 설계 파장은 또한 473㎚이고, 각각의 층은 λ/4n과 거의 동일한 두께를 가지며, 이때, n은 특정 층 물질에 대한 지수이다. 가령, 약 5.3마이크론의 총 두께에 대하여 n(기판) = n(L)은 약 1.5이고, n(M)은 약 2.5라고 고려되어진다. 간략성을 위해, MPC(400)의 층의 배열은 도 4에서 도시되는 바와 같이 배열된, 총 39개의 L 층과 M 층이 존재함을 나타내는 시퀀스 S(LM)8(ML)15(LM)13(ML)6에 따라서 설명된다. 편리함을 위해, 층들을 식별하기 위한 도식은, MPC(400)의 부분에서 L과 M의 교대하는 층의 8개의 시퀀스가 존재함을 의미하는 8@LM으로서 사용된다. 흡수도 -α(M)은 약 20㎝-1이고, α(L)은 약 0㎝-1이다.
도 5는 본 발명에 따르는 MPC에서의 대안적 층 배열의 바람직한 실시예이다. 일부 보고된 측정치에 따르면, 얇은(10-30㎚) 코발트(Co) 막이 더 두꺼운 막에 비교할 때 더 낮은 손실 계수(loss coefficient)를 갖는다. 이러한 현상은 터널링 효과(파(wave)가 막을 통과(tunnel through)하여 외부에서 보여질 것이다)로 인해 야기되며, 일부 구현예가 MPC에서의 다중-통과(multi-pass)를 위해 적합하다고 여겨진다. Co는 Bi:YIG(포화된 내재적 회전율은 H=1.78Tesla에서 36.3degree/micron)보다 50배 더 큰 패러데이 회전율을 갖는다. Co의 회전은 더 짧은 파장(청색)에서 더 강하다는 것을 특별히 고려하여, Co의 층(10-20㎚)과 유전 층으로 구성된 MPC가 높은 패러데이 회전율과 적합한 투과율 모두를 위한 효과적인 접근법일 수 있다.
MPC에 이러한 물질을 포함시키기 위해, 예를 들어, 자기-광학 물질의 막, 또는 비활성/투명 막, 또는 이와 유사한 막을 이용하여, 총 λ/4n의 전체 두께를 갖는 층을 생성함으로써, 임의의 주어진 서브-층을 보충하는 것이 필요하거나, 바람직할 수 있다.
도 5에서, MPC의 층(500)은 보강된 속성의 층(505)과 두께-조정 층(510)을 포함하지만, 하나의 단일 층을 생성하기 위한 다수의 서브-층에 의해(가령, 도 1 내지 4에서 도시된 MPC에서 사용되는 것과 같이), 투과와 선회에 대한 서로 다른 속성이 제공되는 3개 이상의 층을 갖는 그 밖의 다른 구성이 또한 가능하다. 하나의 경우에서, 서브-층(505)은 코발트 박막이며, 서브-층(510)은 GGG, 또는 SiO2 층을 포함한다. 또 다른 경우에서, 서브-층(505)은 상자성 물질인 CdMnTe일 수 있고, 서브-층(510)은 Bi:YIG일 수 있다. 이러한 CdMnTe/Bi:YIG의 층(500)은, 도 4에서 도시되는 MPC(400)에서와 같이, MPC에서 M 층으로서 사용될 수 있다.
자기-광학 BLUE(이하, MO-B) 및 GREEN(이하, MO-G) 모듈을 구축하기 위해, Ca-도핑된 Bi3Fe5O12(이하, Ca:BIG), Ce-도핑된 Y3Fe5O12(Ce:YIG) 및 Ga-도핑된 Bi3Fe5O12(Ga:BIG) 가넷 물질을 기반으로 하는 헤테로에피택시 모든 가넷 막 공정 기법이 개발되었다. Ca-도핑 및 Ga-도핑에 의해, 광 투과성(optical transparency)이 보강되며, 반면에, Ce-도핑에 의해서는 흡수 한계(absorption edge) 및 패러데이 회전(FR)의 강력한 블루-쉬프트(blue-shift)가 도출된다. MO-광 결정을 조립하고 최적화하는 것은, 중앙 광학 공동(central optical cavity)뿐 아니라 유전체 거울(dielectric mirror) 모두에서의 다양한 가넷 조성, 다양한 물질 시퀀스와, 층의 개수를 조합하는 “조합적” 접근법을 포함했다. 바람직한 MO-성능을 갖는 광 결정의 주요 대표예가 다음의 표Ⅰ에서 제공된다.
[표 Ⅰ]
λ/2 광학 동공
Ca:BIG Ca:BIG/GGG Ga:BIG Ce:BIG
거울 Ca:BIG/GGG MO-G1 MO-G3
Ga:BIG/GGG MO-G4, MO-G6
Ce:YIG/GGG MO-G5 MO-B1, MO-B2, MO-B3
YIG/GGG MO-G2
광 결정의 명칭 MO-Bi, 또는 MO-Gi는 BLUE, 또는 GREEN 광 동작 범위를 알려주며, i는 샘플 번호이다. MO-G3 및 MO-G6를 제외한 모든 광 결정이 두께 λ/2n를 갖는 균일한 중앙 광학 공동과 λ/4n의 유전체 거울을 가지며, 이때, n은 해당하는 가넷 물질의 굴절 지수이다. MO-G3 결정에서의 광학 공동은 5개의 Ca:BIG과 GGG 층의 시퀀스로서 조립되었으며, 이때, 두께는 다음의 조건을 만족시킨다:
dCa : BIG x nCa : BIG(λ) + dGGG x nGGG(λ) = λ/2
이때, λ은 설계 파장이다. 또한 Ca:BIG/GGG/Ca:BIG/GGG/Ca:BIG의 5개의 층 시퀀스는 각각, 100/656/1000/656/100의 레이저 펄스의 횟수를 이용하여 조립되었다. MO-G6 결정에서 거울을 더 투명하게 만들기 위해, λ/8nGa:BIG 두께 Ga:BIG 및 3λ/8nGGG 두께 GGG 가넷의 스택을 이용하여 구축되었다.
도 6 내지 8에서, 자기-광학 광 결정에서 패러데이 회전의 상당한 보강이 이 뤄졌음을 알 수 있다. 조립된 결정은 제한된 개수의 유전체 거울을 갖지만, 밴드 갭(band gap) 내에서의 광의 강력한 배제가 MO-G와 MO-B 모듈 모두에 대하여 실험되었다. MO-B 모듈의 차별되는 특징은 Ce:YIG 물질에서 사용되는 분명한 패러데이 회전이다. 구조는 Ce:YIG 가넷뿐 아니라, MO-B 및 MO-G 모듈에 대하여 각각 Ca:BIG 및 Ga:BIG 가넷을 이용하는 것에 대한 실현가능성을 증명한다.
일부 예를 들어, 투과 및 선회/회전에 대한 다양한 결과가 설명된다. 대부분의 경우에서, 결과는 펄스된 레이저 증착을 이용하여 생성된 구조로부터 취해진 측정된 결과를 기반으로 한다. 일반적으로 그 밖의 다른 제조 기법 중 일부 기법, 예를 들어, RF 마그네트론 스퍼터링 및 분자 빔 에피택시(MBE)는, 제조된 층의 품질로 인한 개선된 결과를 생성한다고 이해되어진다. 예를 들어, 일부 경우에서, RF 마그네트론 스퍼터링에 의해, 펄스된 레이저 증착(PLD)에 비교할 때, 절반 이상의 흡수 계수가 도출된다. 액화 상태 에피택시(LPE)가 RF 스퍼터링에 대하여 약 절반의 흡수 계수를 야기한다.
예를 들어, 최적화된 RED MPC 구조 S(ML)1(MM)10(LM)3(MM)11(ML)6(LM)4를 합성하기 위해, PLD를 이용할 때, M 층(BIG)은 흡수 계수 (예를 들어) A=2800㎝^-1와 선회율 -0.035를 가져서, 21.9%의 투과율과 18.7도의 패러데이 회전율(즉, 투과율*sin(2*회전율)^2 = 8.1%의 다이나믹 레인지)을 도출할 것이다. RF 마그네트론 스퍼터링이 사용될 때, M 층의 흡수 계수는 최대 A = 1400㎝^-1이 되며, 선회율은 동일하게(-0.035) 유지되어, 29.6%의 투과율과 29.5도의 패러데이 회전율(즉, 21.7%의 다이나믹 레인지)을 갖는 최적화된 구조 S(ML)2(MM)8(LM)5(MM)9(ML)8(LM)5가 도 출된다.
다음의 표Ⅱ 및 표Ⅲ은 PLD와 스퍼터링 RGB MPC 구조 간의 비교를 포함한다. PLD MPC에 있어서, 측정된 흡수 계수와 패러데이 회전율이 사용되었다. 스퍼터링된 MPC에 대하여, 나타나는 바와 같이, 흡수 계수가 선택되었다. 현재, LPE는 평면 구조물에 대해서만 실용적이다. 표Ⅲ에서, 세로줄은 파장, 투과율, 회전율, 다이나믹 레인지, 두께, MPC 구조, 흡수도 및 증착 타입(가령, 펄스된 레이저 증착, RF 스퍼터링 및 액체 상태 에피택시)을 포함한다. 표Ⅲ에서, “*”가 앞에 붙는 투과율을 갖는 가로줄은 측정된 결과이며, 나머지는 시뮬레이션을 통한 결과이다. 일반적으로, 값을 얻기 위해 사용되는 구조의 타입은 60/766,764 특허 출원의 도 2에 대응한다. 표Ⅲ의 항목에 대한 선회 값은, 나타나는 바와 같이, 적색과 사용되는 BIG/GGG 구조에 대하여 g=0.035, 녹색과 사용되는 BIG/GGG 구조에 대하여 g=0.05, 청색과 사용되는 Ce-YIG/BBB 구조에 대하여 g=0.01, 평면 구조와 사용되는 BIG/에어 구조에 대하여 g=0.27를 포함한다(PS = 평면 구조).
[표 Ⅱ]
파장(㎚) 투과율 회전율(도) 다이나믹 레인지 = 투과율*Sin(2*회전율)^2
RED@673 45% 5.1 1.42
@657 41% 5.7 1.60
@676 46% 5.2 1.50
@678 47% 5.1 1.47
@738 39% 7.5 2.61
@770 43% 6.6 2.24
@825 46% 4.4 1.08
GREEN@594 41% 5.6 1.55
@571 31% 6.7 1.66
@588 41% 5.8 1.66
@581 36% 5.8 1.45
BLUE@467 33% 1.9 0.14
@473 35% 1.9 0.15
@475 35% 2 0.17
@475 22% 2.4 0.15
[표 Ⅲ]
λ (㎚) T % Rot. Range % d (um) MPC 구조 A (㎝^-1) Depo
738 *40 7.5 2.68 1.43 S(ML)4(M)2(LM)4 2800 PLD
738 21 16.2 5.94 4.6 S(MM)11(ML)4(LM)9(ML)6 2800 PLD
635 30.3 14.8 7.39 3.14 S(ML)1(MM)10(LM)4(MM)6(ML)4 2800 PLD
635 21.9 18.7 8.07 4.42 S(ML)1(MM)10(LM)3(MM)11(ML)6(LM)4 2800 PLD
635 29.6 29.5 21.73 4.2 S(ML)1(MM)9(LM)3(MM)7(ML)6(LM)3 1400 RFS
540 *20.0 6 0.86 0.8 S(ML)3(MM)1(LM)3 17000 PLD
540 22.8 17.1 7.20 2.96 S(LM)4(ML)8(LM)8(ML)5 5000 RFS
540 20.4 18.5 7.38 3 S(ML)3(LM)5(MM)10(ML)6(LM)3 5000 RFS
470 *28.0 2.1 0.15 0.89 S(ML)4(MM)1(LM)4 5500 PLD
470 16.1 4.3 0.36 2.57 S(ML)1(MM)10(LM)5(ML)8(LM)3 5500 PLD
470 18.5 10.3 2.29 3.07 S(MM)10(LM)6(ML)9(MM)6(LM)2 2000 RFS
PS
470 49 36.1 44.13 1.4 S(MM)11(LL)12(MM)82(LL)12(MM)11 7000 LPE
L 및 M의 두께 = λ/4
이 출원에서 설명되는 시스템, 방법, 컴퓨터 프로그램 프로덕트 및 전파 신호는, 중앙 처리 장치(CPU), 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 시스템 온 칩(SOC), 또는 그 밖의 다른 임의의 프로그램 가능한 장치 내에 위치하거나, 연결 되는 하드웨어로 구현될 수 있다. 덧붙이자면, 시스템, 방법, 컴퓨터 프로그램 프로덕트 및 전파 신호는, 예를 들어, 소프트웨어를 저장하도록 구성된 컴퓨터 용도(가령, 판독) 매체에 위치하는 소프트웨어(가령, 소스, 객체, 또는 기계어 등의 임의의 형태로 존재하는 컴퓨터 판독가능 코드, 프로그램 코드, 인스트럭션 및/또는 데이터)로 구현될 수 있다. 이러한 소프트웨어에 의해, 장치 및 공정의 기능, 조립, 모델링, 시뮬레이션, 설명 및/또는 테스팅이 가능해진다. 예를 들어, 이는 일반적인 프로그래밍 언어(가령, C, C++), GDSII 데이터베이스, 하드웨어 기술 언어(HDL: hardware description language)(가령, Verilog HDL, VHDL, AHDL(Altera HDL) 등), 또는 그 밖의 다른 이용가능한 프로그램, 데이터베이스, 나노프로세싱 및/또는 회로(즉, 개념적) 캡처 툴을 사용하여, 이뤄질 수 있다. 이러한 소프트웨어는 임의의 알려진 컴퓨터 용도 매체, 예를 들어, 반도체, 자성 디스크, 광학 디스크(가령, CD-ROM, DVD-ROM 등) 내에 위치할 수 있고, 컴퓨터 용도(가령, 판독) 전송 매체(가령, 반송파, 또는 디지털/광학/아날로그 기반의 매체를 포함하는 그 밖의 다른 임의의 매체)로 구현된 컴퓨터 데이터 신호로서 존재할 수 있다. 마찬가지로, 인터넷 및 인트라넷 등의 통신 네트워크를 통해 소프트웨어가 송신될 수 있다. 소프트웨어에 구현되는 시스템, 방법, 컴퓨터 프로그램 프로덕트 및 전파 신호가 반도체 지적 재산 핵심에 포함되거나(가령, HDL로 구현), 집적 회로의 제조에서 하드웨어로 변환될 수 있다. 덧붙이자면, 본원에서 설명되는 시스템, 방법, 컴퓨터 프로그램 프로덕트 및 전파 신호는 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로서 구현될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예 중 하나는, 컴퓨팅 연산 동안, 컴퓨팅 시스템의 메모리에 상주하는 프로그래밍 단계, 또는 인스트럭션으로 구성된 운영 체제에서의 루틴이다. 컴퓨터 시스템에 의해 필요해질 때까지, 프로그램 인스트럭션은 또 다른 판독가능형 매체, 가령, 디스크 드라이브, 또는 이동형 메모리(가령, CD ROM 컴퓨터 입력에서 사용되기 위한 광학 디스크, 또는 플로피 디스크 드라이브 컴퓨터 입력에서 사용되기 위한 플로피 디스크 등)에 저장될 수 있다. 덧붙이자면, 프로그램 인스트럭션은 본 발명의 시스켐에서 사용되기 전에 또 다른 컴퓨터의 메모리에 저장되어, 본 발명의 사용자에 의해 요구될 때, LAN, 또는 인터넷 등의 WAN을 통해 전송될 수 있다. 당해업계 종사자라면, 본 발명을 제어하는 프로세스는 다양한 형태의 컴퓨터 판독가능형 매체의 형태로 배포될 수 있음을 알 것이다.
본 발명의 루틴을 구현하기 위해, C, C++, 자바, 어셈블리어 등의 적합한 프로그래밍 언어가 사용될 수 있다. 절차, 또는 객체 지향적 언어 등의 여러 다른 프로그래밍 기법이 사용될 수 있다. 상기 루틴은 단일 프로세싱 장치, 또는 복수개의 프로세서 상에서 실행될 수 있다. 단계, 또는 연산, 또는 컴퓨팅 작업은 특정 순서로 제공될 수 있지만, 이 순서는 여러 다른 실시예에서 변할 수 있다. 일부 실시예에서, 순차적으로 보여지는 복수개의 단계들이 동시에 수행될 수 있다. 본원에서 기술되는 연산들의 시퀀스는 중단(interrupt), 또는 유예(suspend)될 수 있거나, 또는 그렇지 않는 경우, 또 다른 프로세스(가령, 운영 체제, 커넬 등)에 의해 제어될 수 있다. 상기 루틴은 운영 체제 환경에서 동작하거나, 또는 모두, 또는 시스템 프로세싱의 실질적 부분을 점유하는 스탠드-얼론(stand-alone)형 루틴으로서 동작 할 수 있다.
본 발명의 실시예의 목적으로, “컴퓨터 판독형 매체”는 인스트럭션 실행 시스템, 장치, 시스템, 또는 장치에 의해 사용되기 위한, 또는 연결되는 프로그램을 내포, 저장, 통신, 전파, 또는 운반할 수 있는 임의의 매체일 수 있다. 상기 컴퓨터 판독가능형 매체는, 제한받지 않는 예를 들자면, 전자, 자성, 광학, 전자성, 적외선, 또는 반도체 시스템, 장치, 시스템, 장치, 전파 매체, 또는 컴퓨터 메모리일 수 있다.
“프로세서(processor)”, 또는 “프로세스(process)”는 데이터, 신호, 또는 그 밖의 다른 정보를 처리하는 임의의 인간, 하드웨어 및/또는 소프트웨어 시스템, 메커니즘, 또는 부품을 포함한다. 프로세서는 범용 중앙 처리 유닛, 멀티플 프로세싱 유닛, 기능을 성취하기 위한 전용 회로를 갖는 시스템, 또는 그 밖의 다른 시스템을 포함할 수 있다. 프로세싱은 그래픽 위치로 제한되거나, 시간적 한계를 가질 필요가 없다. 예를 들어, 프로세서는 자신의 기능을, “실시간으로”, “오프라인으로”, “배치 모드(batch mode)로” 수행할 수 있다. 프로세싱의 부분들은, 여러 다른(또는 동일한) 프로세싱 시스템에 의해, 여러 다른 시점과 여러 다른 위치에서 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예는 프로그래밍된 범용 디지털 컴퓨터를 이용함으로써, 구현될 수 있고, 애플리케이션 특정 집적 회로(ASIC), 또는 프로그래밍 가능한 로직 소자(programmable logic device), 또는 필드 프로그램 가능한 게이트 어레이(field programmable gate array), 또는 광학 시스템, 화학 시스템, 생물학 시스템, 양 자(quantum) 시스템, 나노공학 시스템(nanoengineered system)을 이용함으로써, 구성요소와 메커니즘이 사용될 수 있다. 일반적으로, 본 발명의 기능은 종래 기술에서 알려진 수단에 의해 얻어질 수 있다. 분산, 또는 네트워킹된 시스템, 구성요소 및 회로가 사용될 수 있다. 데이터의 통신, 또는 전송은 유선, 무선이거나, 그 밖의 다른 수단에 의해 이뤄질 수 있다.
도면에서 도시된 요소들 중 하나 이상은, 특정 응용예에 따라 유용하도록, 보다 분리된 방식, 또는 통합된 방식으로 구현될 수 있으며, 심지어 제거되거나, 특정 경우에서 동작될 수 없는 상태가 될 수 있다. 또한, 컴퓨터로 하여금 앞서 설명된 방법 중 임의의 것을 수행하도록 하기 위해, 기계 판독형 매체에 저장될 수 있는 프로그램, 또는 코드를 구현하는 것이 본 발명의 사상 및 범위 내에 있다.
덧붙이자면, 특별히 언급되지 않는다면, 도면에서의 임의의 신호 화살표는 제한하기 위함이 아니라, 단지 예시로서 여겨져야 한다. 추가로, 본원의 용어 “또는”은 특별히 언급되지 않는다면, 일반적으로 “ 및/또는”을 의미하는 것이다. 구성요소, 또는 단계들의 조합이 또한 고려되어질 것이며, 이때, 분리, 또는 조합 기능이 명확한 것이 아니기 때문에 용어가 예견된다.

Claims (21)

  1. - 지정된 가시 주파수의 성분을 포함하는 광 신호가 투과하는 기판,
    - 600나노미터 이하의 상기 지정된 가시 주파수에 대하여, 40% 이상의 파워와 24도/마이크론의 패러데이 회전율을 갖는 상기 성분을 투과시키기 위한 상기 기판 위에 위치하는 광학 다층의 스택(stack)
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 지정된 가시 주파수는 473나노미터±10나노미터인 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 지정된 가시 주파수는 532나노미터±10나노미터인 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 다층의 스택은 (ML)2(M)6(LM)2로 명명되는 층 시퀀스를 포함하며, 이때, M은 자기-광학 물질(magneto-optic material)이고, L은 비-자기-광학 물질(non-magneto-optic material)인 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 기판 및 상기 L 층은 Gd3Ga5O12(GGG)를 포함하는 것 을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 M 층은 비스무트 치환된 이트륨 철 가넷(Bi:YIG)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 다층의 스택은 (H)1(M)13(HL)10(M)6(LH)2로 명명되는 층 시퀀스를 포함하며, 이때, M은 자기-광학 물질(magneto-optic material)이고, L은 비-자기-광학 물질(non-magneto-optic material)인 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 기판 및 상기 L 층은 Gd3Ga5O12(GGG), SiO2 및 이들의 조합 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 H 층은 ZnO, Ta2O5 및 이들의 조합 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 M 층은 Bi3Fe5O12, Bi:YIG 및 이들의 조합 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 M 층은 Bi3Fe5O12, Bi:YIG 및 이들의 조합 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 다층의 스택은 (LM)8(ML)15(LM)13(ML)6로 명명되는 층 시퀀스를 포함하며, 이때, M은 자기-광학 상자성 물질(magneto-optic paramagnetic material)이며, L은 비-자기-광학 물질(non-magneto-optic material)인 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 기판 및 상기 L 층은 Gd3Ga5O12(GGG)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 M 층은 CdMnTe를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 스택의 각각의 상기 광학 다층은, 자유 공간(free space)에서 상기 광학 다층의 물질의 굴절 지수의 4배에 의해 나눠지는 상기 지정된 가시 주파수의 파장과 동일한 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 광학 다층들 중 하나 이상은, 제 1 속성 보강 서브 -층(property enhancing sub-layer)과, 제 2 두께 조정 서브-층(thickness adjusting sub-layer)을 포함하는 둘 이상의 서브-층을 갖는 자기-광학 물질 층을 포함하며, 이때, 상기 하나 이상의 광학 다층의 총 두께는 상기 두께와 동일한 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 제 1 속성 보강 서브-층은, CdMnTe, 코발트 및 이들의 조합 중에서 선택된 하나 이상의 부재 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 제 2 두께 조정 서브-층은 Bi:YIG, SiO2 및 이들의 조합 중에서 선택된 하나 이상의 부재 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 제 2 두께 조정 서브-층은 Bi:YIG, SiO2 및 이들의 조합 중에서 선택된 하나 이상의 부재 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. a) 다층 형성을 위해 기판의 표면을 준비하는 단계, 그리고
    b) 600나노미터 이하의 파장의 20% 이상의 투과율과 24도/마이크론의 내재적 회전율(intrinsic rotation)을 갖는 조립체를 생성하기 위해, 상기 기판 위에, 가시 파장 투과율의 다수의 층을 형성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. MPC 박막 스택 구조를 형성하기 위한 프로그램을 내포하는 컴퓨터 판독형 기록 매체를 포함하는 컴퓨터 프로그램 프로덕트에 있어서, 상기 프로그램은
    a) 다층 형성을 위해 기판의 표면을 준비하는 단계, 그리고
    b) 600나노미터 이하의 파장의 20% 이상의 투과율과 24도/마이크론의 내재적 회전율(intrinsic rotation)을 갖는 조립체를 생성하기 위해, 상기 기판 위에, 가시 파장 투과율의 다수의 층을 형성하는 단계
    를 구현하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램 프로덕트.
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