RU2029978C1

RU2029978C1 - Cellular structure for magnetic-optic spatial light modulator

Info

Publication number: RU2029978C1
Authority: RU
Inventors: А.А. Айрапетов; В.В. Рандошкин; А.Я. Червоненкис
Original assignee: Червоненкис Андрей Яковлевич
Priority date: 1991-10-11
Filing date: 1991-10-11
Publication date: 1995-02-27

Abstract

FIELD: physics, applied magnetooptics. SUBSTANCE: cellular structure has a non-magnetic substrate onto which a magnetic uniaxial material layer is applied. Monodomain regions are made in the form of depressions with flat bottom of thickness h not exceeding 0.7 l, where l is a characteristic length of material. Saturation magnetization and/or uniaxial anisotropic constant vary along the depression bottom thickness by at least 10% of their average values. EFFECT: improved quality. 1 dwg

Description

Изобретение относится к физике, в частности к прикладной магнитооптике, и промышленно применимо в устройствах для управления светом, основанных на магнитооптическом эффекте Фарадея. The invention relates to physics, in particular to applied magneto-optics, and is industrially applicable in devices for controlling light based on the magneto-optical Faraday effect.

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. Known cellular structure for a magneto-optical spatial light modulator (MO PMS), which is also called magneto-optical controlled transparency, containing a layer of magnetically uniaxial material deposited on a non-magnetic substrate with single-domain regions [1]. The disadvantage of this cell is its low speed, since its state switching occurs as a collapse of a cylindrical magnetic domain (CMD) and the domain wall passes a path of the order of the cell radius.

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]. Closest to the invention is a cellular structure for MO PMS containing a layer of magnetically uniaxial material deposited on a non-magnetic substrate with single-domain regions made in the form of recesses with a flat bottom [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). The disadvantages of the prototype are low speed, since the switching of the state of the cells in the MO PMS occurs as a collapse of the CMD, as well as increased energy consumption due to the sufficiently large layer thickness in the region of the bottom of the recesses (3 μm).

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. In the honeycomb structure for MO PMS containing a layer of magnetically uniaxial material deposited on a non-magnetic substrate with monodomain regions made in the form of recesses with a flat bottom, the recesses are made with a bottom thickness h not exceeding 0.7 l, where l is the characteristic length of the magnetically uniaxial material and the magnetization the saturations and / or the uniaxial anisotropy constant change along the layer thickness in the region of the bottom of the recesses by at least 10% of their average values.

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. As experience has shown, if the saturation magnetization and / or the uniaxial anisotropy constant change along the layer thickness in the bottom region of the recesses by at least 10% of their average values, then the mechanism for switching the state of the cells changes: the CMD is not collapsed by moving the side domain wall along the cell radius , and by the formation and movement of the end domain wall parallel to the bottom of the recess. This makes it possible to increase the speed by 2-3 orders of magnitude both because of the smaller path traveled by the end domain wall and the higher speed of its movement. Under the condition h <0.7l, it is possible to provide a single-domain state of cells of a usual size of about 100 μm with a sufficiently high saturation magnetization (≈ 300 G.). This makes it possible to further increase the performance both by increasing the mobility of the domain walls and the limiting speed of its motion (both of these values are proportional to the saturation magnetization) and by using films with a thickness of 1 μm or less. At a domain wall velocity of 1000 m / s (such values are achieved in a wide class of materials) and a thickness h = 0.5 μm, the switching time does not exceed 1 ns.

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. The invention is illustrated in the drawing. The cellular structure contains a non-magnetic substrate 1, on which a layer 2 of magnetically uniaxial material is deposited with single-domain regions 3 made in the form of recesses with a flat bottom. Region 3 differs from region 4 in thickness.

МО ПМС, использующий заявляемую ячеистую структуру, работает следующим образом. MO PMS using the inventive cellular structure, works as follows.

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. The current pulse supplied to two intersecting conductors with an amplitude above the threshold switches the cell by a mechanism that includes the formation of the end domain wall and its movement along the thickness of layer 2 in the region of the recesses 3. When recording information “0” and “1”, the current pulses have opposite polarity. The polarizer and analyzer, located on both sides of the cellular structure, are installed so that, at one polarity, the light passing through the polarizer and the single-domain region is completely suppressed by the analyzer, and at the other polarity it is transmitted. By switching single-domain cells in the structure according to a given law, it is possible to carry out spatial light modulation.

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.Single-crystal films of ferrite garnet with the composition (Y, Lu, Bi) ₃ (Fe, Ga) ₅ O _{12 were} grown by liquid-phase epitaxy on gadolinium-gallium garnet substrates with the (111) orientation. The films had an initial thickness of 2 μm, a characteristic length l = 1.1 μm, and a saturation magnetization of 250 G. In the films, depressions with a diameter in the region of a flat bottom of 85 μm and a thickness in this region of 0.55 μm were performed using the photolithography method. In the bottom area, CMDs formed with a diameter equal to the diameter of the recesses. The cell state switching time, measured by high-speed photography, at a domain wall velocity of about 10 m / s did not exceed 0.06 μs. The use of films of the composition (Y, Lu, Pr, Bi) ₃ (Fe, Ga) ₅ O ₁₂ with the (210) orientation and orthorhombic anisotropy made it possible to reduce the switching time to 10 ns (the time resolution of the high-speed photography setup). The saturation magnetization changed in thickness h by 15 μm.

Claims

A CELLULAR STRUCTURE FOR A MAGNETO-OPTICAL SPATIAL LIGHT MODULATOR containing a layer of magnetically uniaxial material deposited on a non-magnetic substrate with single-domain regions made in the form of recesses with a flat bottom of thickness h, characterized in that the magnetically uniaxial or vary along the bottom thickness by at least 10% of their average values, and the bottom thickness h ≅ 0.7 l, where l is the characteristic length of the magnetically uniaxial material Ala.