Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Распространение электромагнитного излучения в планарных волноводах, содержащих магнитоупоря-доченные диэлектрики 15
1.1. Уравнения Максвелла, материальные соотношения и граничные условия для магнитных сред на оптических частотах 15
1.2. Моды распространения, связанные моды, невзаимность преобразования мод 30
1.3. Волноводные структуры на основе эпитаксиальных пленок 55
1.4. Периодические магнитооптические волноводные структуры
1.5. Выводы 71
Глава 2. Свойства эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов как оптических волноводов . 73
2.1. Синтез эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов 73
2.2. Механические свойства и рентгеновские измерения . 77
2.3. Магнитные свойства 92
2.4. Оптические и магнитооптические свойства 96
2.5. Выводы 100
Глава 3. Волноводное распространение света в эпитаксиальных пленках ферритов-гранатов 101
3.1. Болноводнооптический метод исследования тонких
пленок ферритов 102
а) Спектр волнсводных мод 102
б) Измерение потерь в волноводе 117
в) Преобразование мод 122
г) Измерение спектра мод в условиях сильного поглощения 122
3.2. Потери 123
3.3. Стратификация 132
3.4. Двупреломление 137
3.5. Преобразование мод 152
3.6. Невзаимность преобразования мод 163
3.7. Дисперсия показателя преломления 170
3.8. Распространение света в градиентных
анизотропных волноводах 174
3.9. Выводы 187
Глава 4. Применение магнитных пленок в интегральной оптике 189
4.1. Невзаимные функциональные элементы 189
4.2. Взаимные функциональные элементы в интегральной оптике, использующие магнитные пленки 206
4.3. Выводы 215
Глава 5. Исследование ферритов-гранатов методом ферромагнитного резонанса 216
5.1. ФМР в ферритах, содержащих примесные парамагнитные ионы 219
а) Общие формулы для сдвига и ширины линии ФМР 220
б) Статические сдвиги линии ФМР 228
в) Механизм поперечной релаксации 231
г) Механизм медленной релаксации 235
д) Процессы, определяющие частоту релаксации примесных ионов 242
е) Случай ИІГ с редкоземельными ионами 245
5,2. Методика исследований ФМР 246
а) Экспериментальная установка 246
б) Образцы 249
в) Измерения ширины линии 252
5.3. ФМР в гранатах с ионами тербия 253
а) Ион тербия в ИЇГ 254
б) ИЖГ с тербием и галлием 265
в) Гадолиний-железный гранат с тербием 275
г) Кальций-висмут-ванадий-железный гранат с тербием 279
д) Влияние высокого гидростатического давления на ФМР в гранатах с тербием 284
5.4. ФМР в ИЖГ с примесью ионов гольмия 287
5.5. ФМР в ИЖГ с примесью ионов празеодима 301
5.6. Выводы 311
Заключение 313
Литература 316
Приложение 365
- Уравнения Максвелла, материальные соотношения и граничные условия для магнитных сред на оптических частотах
- Механические свойства и рентгеновские измерения
- Взаимные функциональные элементы в интегральной оптике, использующие магнитные пленки
- Влияние высокого гидростатического давления на ФМР в гранатах с тербием
Введение к работе
Проблемы, связанные с широким использованием лазерной техники как для практических целей (передача и обработка информации, локация и т.п.)» так и для физических исследований, стимулировали развитие новой области технической физики - интегральной оптики /20, 35, 36, 53, 56, 91, 101, 124, 125, 139, 357, 359/. Хотя ее главной задачей являлось решение вопросов, связанных с построением пленарных интегрально-оптических цепей, само явление волноводного распространения света оказалось полезным для изучения взаимодействия света с веществом и исследования свойств приповерхностных слоев и тонких пленок. В литературе термин "интегральная оптика" применяется не только в связи с вопросами интегрирования отдельных оптических элементов в оптические цепи, но и тогда, когда волноводное распространение света используется для решения фундаментальных или мате-ргало-ведческих задач. Нам, однако, кажется более удобным в этих случаях пользоваться термином "волноводная" оптика /125/, который и используется в заглавии диссертации.
Распространение света в виде волноводных мод создает уникальные возможности волноводной оптики, в частности для исследования тонких пленок /142/. Можно отметить такие особенности волноводной оптики, как возможность распространения света в пленке на расстояния, гораздо большие ее толщины, получение больших плотностей световой энергии, дискретность допустимых значений постоянных распространения и поперечного по волноводу распределения энергии и т.д.
- б -
В качестве метода измерения характеристик тонких пленок волноводная оптика позволяет определять с большой точностью и одновременно толщину и показатель преломления изотропных и однородных пленок, а также их оптическую анизотропию и гиротро-пию. Особенно следует отметить возможность точного измерения толщины пленки независимо от других параметров, в противоположность, например, широко'используемому интерференционному методу, в котором необходимо знать показатель преломления пленки на двух частотах. Точное же измерение толщины пленки необходимо для получения других важных параметров пленок, например, оптического коэффициента поглощения, намагниченности насыщения, характеристической длины и энергии доменной стенки в магнитных пленках. Волноводный метод может быть использован для изучения неоднородных пленок и гетероструктур и в связи с этим может сыграть важную роль в исследовании процессов эпи-таксии и в усовершенствовании технологии получения тонких пленок. Число уже разработанных к настоящему времени волноводных методик велико /289, 290, 302, 319, 348, 388, 389, 395/ и продолжает расти, однако используются они еще недостаточно широко.
Настоящая диссертация в основном посвящена волноводной оптике ферритов, которые могут сыграть значительную роль в интегральной оптике. Эти материалы могут быть использованы для создания элементов управления излучением (модуляторы, дефлекторы и т.д.) и элементов развязки (вентили, циркуляторы, гира-торы, направленные ответвители и т.п.). Исследования эпитакси-альных пленок ферритов-гранатов в качестве волноводов ведутся в СССР, Франции, США, Японии и других странах.
Основная цель диссертации - изучение возможностей использования волноводной оптики для исследования свойств магнитных планарных структур и создания некоторых элементов интегральной оптики на их основе. В качестве объектов исследования были выбраны эпитаксиалыше пленки ферритов-гранатов и диффузионные пленки на основе ниобата лития.
Монокристаллические пленки ферритов-гранатов обладают полезными магнитными, оптическими и магнитооптическими свойствами, которые привлекают к ним внимание в связи с использованием в запоминающих устройствах на цилиндрических магнитных доменах /18, III/ и в СВЧ-технике /21/. Большие возможности обещает использование СВЧ-свойств этих пленок в интегральной оптике, например, для модуляции света частотами до двух десятков гигагерц /200/.
Исследования волноводного распространения света в эпитак-сиальных пленках ферритов-гранатов и сегнетоэлектрических диффузионных слоях показали возможность создания конкретных функциональных элементов интегральной оптики на их основе. Созданы макеты оптического вентиля, направленного ответвителя, дискриминатора поляризации, акустооптического дефлектора и устройства свертки импульсных радиосигналов на стоячих поверхностных акустических волнах, электрооптического дефлектора. Особо следует отметить работы, направленные на создание однонаправленного преобразователя мод. Известно, что стыковка лазера с волокном приводит к появлению пульсаций и сильного шума выходного излучения. Эти нежелательные явления могут быть устранены при
использовании оптических вентилей.
Для получения высоких значений преобразования необходимо использовать эпитаксиальные пленки с узкой линией ферромагнитного резонанса и большим удельным фарадеевским вращением. Эти требования обычно противоречивы, так как для увеличения фара-деевского вращения необходимо введение ионов редкоземельных и/или висмута, которые, как правило, уширяют линию ферромагнитного резонанса, поэтому при выборе состава пленки необходим компромисс. В связи с этим было сочтено полезным включить в диссертацию результаты работ по изучению ферромагнитного резонанса в массивных образцах ферритов-гранатов с различными редкоземельными добавками, изучение которого, вообще говоря, может иметь и самостоятельный интерес для физики твердого тела.
Работа состоит из Введения, пяти глав, Заключения, списка цитированной литературы и приложения.
В первой главе излагается теория распространения света в планарных диэлектрических волноводах. Предполагается, что взаимодействие света с веществом носит локальный характер (не учитывается пространственная дисперсия). В рамках этого приближения учитывается как анизотропия, так и гиротропия. Показано, что в этом случае существует два альтернативных способа описания эффектов распространения света в волноводе. Во-первых, путем введения тензоров диэлектрической и магнитной проницаемости и использования обычных граничных условий. Во-вторых, при введении одного эффективного тензора диэлектрической проницаемости и граничных условий, в которых тангенциальные составляющие магнитного поля и нормальные - электрической индукции -
испытывают скачок на границе раздела сред.
В литературе по этому вопросу не было единой точки зрения. В тех работах, в которых авторы использовали первый из вышеуказанных способов описания, не содержалось его обоснования. При использовании второго подхода авторы необоснованно использовали обычные граничные условия.
В первом параграфе первой главы обсуждается вид тензора диэлектрической проницаемости. Впервые вводится тензор, описывающий ростовую оптическую анизотропию. Получен конкретный вид тензора для двух часто используемых в волноводной магнитооптике ориентации волноводной структуры относительно кристаллографических осей монокристаллической пленки. Ранее общий вид тензора неоднократно приводился в литературе только для одного из рассмотренных случаев и всегда с ошибками.
Во втором параграфе в рамках волновой оптики получены системы характеристических уравнений составляющих полей, полагая единичным тензор магнитной проницаемости. Ранее в литературе аналогичные системы уравнений были приведены для некоторых более частных случаев. В этом же параграфе теория связанных мод используется для получения коэффициента связи и расстройки через составляющие тензора диэлектрической и магнитной проницаемости. Ранее эта задача решалась для некоторых частных видов тензора диэлектрической проницаемости. Показана возможность раздельного измерения величины векторов гирации, соответствующих тензорам диэлектрической и магнитной проницаемости, волно-водным методом. На основании полученных соотношений для коэффициента связи и расстройки обсуждается возможность получения
невзаимного преобразования.
В литературе такое обсуждение проводилось ранее на основании менее общих выражений, не содержащих компонент тензора магнитной проницаемости.
В третьем параграфе рассмотрен конкретный вид магнитооптического и фотоупругого тензоров для случая волноводной структуры, состоящей из эпитаксиальной магнитной пленки. В литературе подобные результаты были ранее получены для одного частного случая, но с ошибками.
В четвертом параграфе приведен общий вид матрицы передачи при произвольном направлении намагниченности. Матрица использована для рассмотрения распространения света в периодической магнитной волноводной структуре с произвольной ориентацией намагниченности в отдельном однородном участке. Показана принципиальная возможность получения невзаимного преобразования в такой структуре, что ранее отрицалось в литературе.
В первом и втором параграфах второй главы рассмотрены соответственно синтез и влияние деформации на свойства эпитакси-альных пленок ферритов-гранатов по литературным данным. Приведены результаты наших рентгеновских исследований пленок гранатов, которые затем использовались для экспериментов по волноводной магнитооптике.
В третьем и четвертом параграфах дается краткий обзор магнитных , оптических и магнитооптических свойств ферритовых пленок гранатов, перспективных для использования в интегральной оптике.
Третья глава посвящена рассмотрению методики эксперимен-
- II -
тальных исследований методами волноводной магнитооптики эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов. Методика эксперимента в основном основана на работах зарубежных авторов по исследованию призменного элемента связи излучения с пленарным волноводом. Применение этого метода к пленкам ферритов-гранатов потребовало, однако , учета некоторых особенностей, которые ранее не принимались во внимание и приводили к снижению точности и достоверности результатов. Так, например, почти во всех предыдущих работах по изучению пленок ферритов-гранатов не обращалось внимания на величину связи призмы и пленки. В настоящей работе этот вопрос достаточно подробно изучен.
Во втором параграфе приведены результаты по изучению оптических потерь в пленках ферритов-гранатов. Впервые произведено разделение различных механизмов потерь для мод разного порядка.
В третьем и четвертом параграфах продемонстрированы возможности волноводного метода для изучения стратификации и дву-преломления эпитаксиальных пленок, соответственно.
Пятый параграф посвящен изучению преобразования волновод-ных мод. В результате подбора параметров эпитаксиальных пленок удалось достичь высоких значений коэффициента преобразования
(96».
В шестом параграфе обсуждаются результаты по исследованию невзаимного преобразования волноводных мод. Впервые невзаимное преобразование получено в эпитаксиальных пленках ферритов-гранатов.
В седьмом параграфе приведены результаты эксперименталь-
ного изучения дисперсии показателя преломления ферритовых пленок. Впервые такое изучение проведено всецело с помощью волно-водного метода.
Восьмой параграф содержит результаты по изучению градиентных анизотропных волноводов на основе ниобата лития, которые использовались совместно с магнитными пленками для создания некоторых функциональных узлов интегральной оптики.
Четвертая глава содержит аналитический обзор литературы по функциональным элементам интегральной оптики и оригинальные результаты по созданию и изучению свойств макета однонаправленного преобразователя мод и направленного ответвителя.
В пятой главе содержатся результаты по исследованию ферритов-гранатов с добавками редкоземельных ионов методом ферромагнитного резонанса.
В.Заключении приведены наиболее важные результаты. В Приложении приведены сведения о кристаллографической структуре гранатов.
Результаты исследований докладывались на Ш Международной конференции по ферритам (1980 г., Киото), У Международной конференции по гиромагнитной электронике и электродинамике (Б80г., Вильнюс), ІУ Международной конференции по сегнетоэлектричеству (1977 г., Ленинград), Международной конференции по магнетизму (1973 г., Москва), йнтермаг (1978 г., Флоренция), Международной конференции по парамагнитному резонансу (1969 г., Казань), IX Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (1978 г., Ленинград), УП Всесоюзной школе-семинаре "Новые магнитные материалы для микроэлектроники" (1980 г., Ашхабад), IX
- ІЗ -
Всесоюзном совещании по сегнетоэлектричеству (1979 г., Ростов-на-Дону), Всесоюзных конференциях по физике магнитных явлений (1977 г., Донецк, 1979 г., Харьков, 1983 г., Тула), Всесоюзной конференции по волоконнооптическим линиям связи (1981 г., Москва), школе по интегральной оптике (1976 г., Прага), американских конференциях по магнетизму и магнитным материалам (1969г., Филадельфия, 1972 г., Денвер), на семинарах лаборатории магнетизма и сегнетоэлектричества ФТИ, семинаре оптики и магнетизма твердого тела Центра Научных Исследований Франции (1982 г., Бельвю), лаборатории оптики и акустики Университета гор.Хельсинки (1976 г., Хельсинки), лаборатории низких температур Университета гор.Турку (1976 г., Турку).
На защиту выносятся следующие основные положения
Эффект волноводного распространения оптического излучения в пленках ферритов, а также основные его характеристики определяются такими свойствами волноводной структуры, как фотоупругое, ростовое, магнитооптическое двупреломление, гиро-тропия, стратификация, поглощение в материале пленки, рассеяние в пленки и на ее границах, показатель преломления. Все эти свойства волноводной структуры могут изучаться при измерении спектра мод, преобразования, невзаимности, потерь при распространении.
При рассмотрении электродинамической задачи о волно-водном распространении света в приближении локальной связи с использованием обычных граничных условия необходимо в общем
случае наряду с тензором диэлектрической проницаемости вводить в рассмотрение тензор магнитной проницаемости.
3. В волноводной структуре, состоящей из анизотропной пленки и магнитного покрытия, невзаимность преобразования можно получить, используя невзаимность коэффициента связи, который определяется слагаемым, не зависящим от направления распространения, связанным с анизотропией пленки, и знакопеременным слагаемым, обусловленным гиротропией покрытия.
Совокупность теоретических и экспериментальных результатов проведенного комплексного исследования следует квалифицировать как новое перспективное направление физики твердого тела - волноводную магнитооптику.
На основе полученных результатов и в частности способа достижения эффективного преобразования волноводных мод в эпи-таксиальных пленках ферритов-гранатов были созданы макеты функциональных узлов интегральной оптики (оптического вентиля, однонаправленного преобразователя мод, направленного ответви-теля). Эти элементы могут быть использованы в световодных системах связи и передачи информации;
Уравнения Максвелла, материальные соотношения и граничные условия для магнитных сред на оптических частотах
В литературе такое обсуждение проводилось ранее на основании менее общих выражений, не содержащих компонент тензора магнитной проницаемости.
В третьем параграфе рассмотрен конкретный вид магнитооптического и фотоупругого тензоров для случая волноводной структуры, состоящей из эпитаксиальной магнитной пленки. В литературе подобные результаты были ранее получены для одного частного случая, но с ошибками.
В четвертом параграфе приведен общий вид матрицы передачи при произвольном направлении намагниченности. Матрица использована для рассмотрения распространения света в периодической магнитной волноводной структуре с произвольной ориентацией намагниченности в отдельном однородном участке. Показана принципиальная возможность получения невзаимного преобразования в такой структуре, что ранее отрицалось в литературе.
В первом и втором параграфах второй главы рассмотрены соответственно синтез и влияние деформации на свойства эпитакси-альных пленок ферритов-гранатов по литературным данным. Приведены результаты наших рентгеновских исследований пленок гранатов, которые затем использовались для экспериментов по волноводной магнитооптике. В третьем и четвертом параграфах дается краткий обзор магнитных , оптических и магнитооптических свойств ферритовых пленок гранатов, перспективных для использования в интегральной оптике. Третья глава посвящена рассмотрению методики экспериментальных исследований методами волноводной магнитооптики эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов. Методика эксперимента в основном основана на работах зарубежных авторов по исследованию призменного элемента связи излучения с пленарным волноводом. Применение этого метода к пленкам ферритов-гранатов потребовало, однако , учета некоторых особенностей, которые ранее не принимались во внимание и приводили к снижению точности и достоверности результатов. Так, например, почти во всех предыдущих работах по изучению пленок ферритов-гранатов не обращалось внимания на величину связи призмы и пленки. В настоящей работе этот вопрос достаточно подробно изучен. Во втором параграфе приведены результаты по изучению оптических потерь в пленках ферритов-гранатов. Впервые произведено разделение различных механизмов потерь для мод разного порядка. В третьем и четвертом параграфах продемонстрированы возможности волноводного метода для изучения стратификации и дву-преломления эпитаксиальных пленок, соответственно. Пятый параграф посвящен изучению преобразования волновод-ных мод. В результате подбора параметров эпитаксиальных пленок удалось достичь высоких значений коэффициента преобразования В шестом параграфе обсуждаются результаты по исследованию невзаимного преобразования волноводных мод. Впервые невзаимное преобразование получено в эпитаксиальных пленках ферритов-гранатов. В седьмом параграфе приведены результаты эксперименталь - 12 ного изучения дисперсии показателя преломления ферритовых пленок. Впервые такое изучение проведено всецело с помощью волно-водного метода. Восьмой параграф содержит результаты по изучению градиентных анизотропных волноводов на основе ниобата лития, которые использовались совместно с магнитными пленками для создания некоторых функциональных узлов интегральной оптики. Четвертая глава содержит аналитический обзор литературы по функциональным элементам интегральной оптики и оригинальные результаты по созданию и изучению свойств макета однонаправленного преобразователя мод и направленного ответвителя. В пятой главе содержатся результаты по исследованию ферритов-гранатов с добавками редкоземельных ионов методом ферромагнитного резонанса. В.Заключении приведены наиболее важные результаты. В Приложении приведены сведения о кристаллографической структуре гранатов. Результаты исследований докладывались на Ш Международной конференции по ферритам (1980 г., Киото), У Международной конференции по гиромагнитной электронике и электродинамике (Б80г., Вильнюс), ІУ Международной конференции по сегнетоэлектричеству (1977 г., Ленинград), Международной конференции по магнетизму (1973 г., Москва), йнтермаг (1978 г., Флоренция), Международной конференции по парамагнитному резонансу (1969 г., Казань), IX Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (1978 г., Ленинград), УП Всесоюзной школе-семинаре "Новые магнитные материалы для микроэлектроники" (1980 г., Ашхабад), IX Всесоюзном совещании по сегнетоэлектричеству (1979 г., Ростов-на-Дону), Всесоюзных конференциях по физике магнитных явлений (1977 г., Донецк, 1979 г., Харьков, 1983 г., Тула), Всесоюзной конференции по волоконнооптическим линиям связи (1981 г., Москва), школе по интегральной оптике (1976 г., Прага), американских конференциях по магнетизму и магнитным материалам (1969г., Филадельфия, 1972 г., Денвер), на семинарах лаборатории магнетизма и сегнетоэлектричества ФТИ, семинаре оптики и магнетизма твердого тела Центра Научных Исследований Франции (1982 г., Бельвю), лаборатории оптики и акустики Университета гор.Хельсинки (1976 г., Хельсинки), лаборатории низких температур Университета гор.Турку (1976 г., Турку).
Механические свойства и рентгеновские измерения
Оптические явления в пленарных волноводах, когда хотя бы одна из сред (подложка, пленка или покрытие) является магнитооптической, рассматривались, как правило, в терминах эффективного тензора диэлектрической проницаемости (оо) , не завися-щего от к , с обычными граничными условиями (1.6). На основании изложенного в 1.1 ясно, что результаты этих работ справедливы тогда, когда отсутствует магнитная поляризация, вызванная магнитной индукцией электромагнитной волны. Это видно из сравнения (1.6) и (1.8), а именно, для перехода от граничных условий вида (1.8) к обычным граничным условиям вида (1.6) необходимо в (1.8) положить Л =0.
Другой подход развивался в работах /13, 286, 332, 366/. В /286/ тензор был заменен скаляром, а магнитооптические эффекты учитывались с помощью тензора магнитной проницаемости с диагональными членами, равными единице, и с комплексными недиагональными членами. Отказ от использования эффективного тензора диэлектрической проницаемости авторы объясняли "неясностями", с которыми они столкнулись при рассмотрении преобразования между ТЕ-модами (связь осуществлялась с помощью дифрак-ционной решетки), когда они использовали . В связи с этим можно указать на следующее. Введение и обычных граничных условий означает, что они положили N = 0. В этом случае нельзя получить связи между модами ТЕ-поляризации при помощи магнитной гиротропии. Другими словами, связь между модами ТЕ-поляризации обусловливается магнитной гиротропией ( ъ ), а между ТМ-модами - электрической гиротропией {(X),
В работе /286/ не указано конкретно, в чем возникли за-труднения при использовании с . Но независимо от того, в чем они состояли, утверждение авторов о том, что следует использовать тензор магнитной восприимчивости вместо тензора диэлектрической проницаемости, так как взаимодействие является "фактически магнитным", - ошибочно. В согласии с выводами 1.1 ис-пользование или и JW является эквивалентным, если учитывать при этом трансформацию вида граничных условий.
В работах /13, 332, Збб/ волноводное распространение света обсуждалось на основе приближения (1.7), то есть принимались во внимание оба тензора проницаемости без учета эффектов пространственной дисперсии и магнитоэлектрической связи. Ниже при рассмотрении распространения света в гироанизотропных волноводах мы будем также использовать это приближение с граничными условиями (1.6).
Анализ явлений в таких волноводах может быть основан на различных приближенных методах. В одних используется приближение геометрической оптики без учета /353, 381, 382/ и с учетом /259/ эффекта Гооса - Хэнхен, в других рассматриваются нормальные /383, 4-08/ или связанные /273, 342, 4-13/ моды. Возможны и точные решения /4, 68, 209, 347, 365, 366/, которые при конкретных расчетах, в случае если не имеет места условие (1.26), требуют использования ЭВМ.
Рассмотрим слоистую среду, изображенную на рисунке I.I. В направлениях вдоль осей Ч и она однородна, а в направле-нии оси JC имеют место скачки величин компонентов тензоров и м на границах раздела при x.-±djz» Предполагаем, что все три среды: покрытие t ( x J/2 ), подложка (x -c\/Z ) и пленка j- ( d/Z оо. dfZ ) абсолютно прозрачны ( и уи -эрмитовы). Толщина пленки порядка длины волны света (cf A ). Нас будут интересовать волноводные моды в такой структуре, то есть излучение, распространяющееся в пленке и вблизи нее вдоль оси % . Чтобы удовлетворить граничным условиям, решения из (1.24), образующие общее решение, должны иметь одно и то же
В случае выполнения (1.26) решениями этих систем уравнений являются линейно поляризованные моды (ТЕ и ТМ, соответственно). В противном случае моды будут эллиптическими (в частности, циркулярно поляризованными). Каждая такая гибридная мода будет линейной комбинацией четырех решений системы (1.24), различающихся в общем случае величиной и направлением собственных волновых векторов (рис.І.І). В работе /320/ были получены общие ограни-чения (равенство нулю некоторых компонентов и /И ), которые, по мнению авторов, необходимы, чтобы стало возможным вол-новодное распространение излучения по гироанизотропному волноводу. При этом были сделаны неверные предположения о том, что для волноводного распространения необходимо выполнение следующих равенств: У, = /!f и / f = / К7 » в которых нет необходимости. Равенство нулю определителей (1.27) и (1.28) не накладывает никаких ограничений на вид тензоров проницаемости.
Вместе с тем существуют некоторые необходимые для распространения света в волноводе соотношения между компонентами тензоров проницаемости в пленке, с одной стороны, и в подложке и покрытии, с другой. В среде без потерь можно рассматривать волну как волноводную при условии, что нормальная к границе раздела компонента вектора Умова - Пойтинга, усредненная по времени, равна нулю и поля исчезают при удалении от пленки. Вектор Умова - Пойтинга в приближении (1.7) представляется выражением /296/:
Взаимные функциональные элементы в интегральной оптике, использующие магнитные пленки
Как следует из (І.4Л), невзаимность коэффициента преобразования может быть связана с невзаимностью коэффициента связи (ЗЄ ) либо расстройки (Л ). Рассмотрим последовательно возможные причины невзаимности коэффициента связи и расстройки.
Из уравнений Максвелла можно показать, что решение для моды, распространяющейся, скажем, в обратном направлении, можно получить путем операции обращения времени ("t- -"t ), которая эквивалентна обращению намагниченности (И- -№). При изучении невзаимности обычно более удобно пользоваться обращением намагниченности, а не направлением распространения.
Из (1.43) можно получить, что Отсюда видно, что для получения невзаимного модуля коэффициента связи необходимо сочетание оптической анизотропии, описываемой симметричными частями тензоров и /И , и гиро-тропии, определяемой антисимметричными частями этих тензоров. Для получения минимального коэффициента связи при распространении в прямом направлении необходимо, чтобы знакопеременные и постоянные члены в (ІЛ8) взаимно компенсировались. Для получения максимально возможной величины (эв нужно, чтобы эти члены имели по отдельности как можно большие значения. Кроме того, следует не забывать о том, чтобы величина Д была минимальной.
На рисунке ІЛ приведены зависимости интегралов, входящих в (1.48), от толщины пленки. Если интегралы /& jt/ монотонно увеличиваются при удалении от отсечки мод, то интегралы, содержащие производные полей, существенны вблизи отсечки. К со-жалению, величина Д вблизи отсечки мод для эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов на гадолиний-галлиевых подложках настолько велика (см.рис.1.2), что ее не удается скомпенсировать ни за счет фотоупругой, ни тем более магнитооптической анизотропии пленки (см.3.5). Позже мы остановимся подробнее на вопросе о получении невзаимности преобразования мод из-за невзаимности коэффициента связи, используя конкретный вид тензора
Обратимся пока к другой возможности получения невзаимного преобразования, а именно, за счет невзаимности фазовой расстройки связанных мод, определяемой выражениями (1.37). Как уже отмечалось выше, расстройка линейно зависит от компонентов вектора гирации при ориентации его вдоль оси ч , то есть перпендикулярно направлению распространения в плоскости пленки (экваториальная геометрия). Таким образом, при изменении направления распространения (или направления намагниченности вдоль оси U ) можно получить невзаимный фазовый сдвиг ТЕ-моды при наличии вектора гирации, связанного с /и , и ТМ-моды из-за Є . Как будет показано в 4.1, этот невзаимный фазовый сдвиг моды может быть использован для построения оптического вентиля, в котором нет необходимости в синхронизме мод. Здесь же нас интересует изменение расстройки, связанное с невзаимными фазовыми сдвигами. Этот вопрос теоретически рассматривался в работах /363, 365, Збб/ для случая мод нулевого порядка. На рисунке 1.5 приведена расчетная зависимость из /Збб/ смещения мод для противоположных направлений распространения света. Из графиков видно, что эффект существенен только вблизи отсечки мод, когда величины интегралов ( jdx) или ( /1 d "Ц/dx) становятся заметными (см.рис.1.4). Таким образом, в случае невзаимности расстройки, так же как и при использовании невзаимности коэффициента связи, возникают трудности из-за большой величины А вблизи отсечки мод. Как будет показано в 1.4, эта проблема может быть в принципе решена путем использования периодических структур, в противоположность мнению, высказанному в /363/.
Теория гиротропных волноводов обсуждалась также в /88/, где было обращено внимание на неточности, допущенные в работах /124, 342/. Однако из работы /88/ неясно, к каким последствиям они могут привести. Б работах /54, 55/ обсуждаются эффекты распространения света вдоль доменных границ ферритов с большим удельным фарадеевским вращением (на порядок большим, чем в ферритах-гранатах в области прозрачности). Показано, в частности, что локализация волны, распространяющейся вдоль границы, носит невзаимный характер. Экспериментально это еще не наблюдалось. Смежные вопросы оптики слоистых сред можно найти также в /26/.
Влияние высокого гидростатического давления на ФМР в гранатах с тербием
Проведено рассмотрение материальных соотношений и граничных условий применительно к магнитооптическим средам. Вводимые обычно тензоры диэлектрической и магнитной проницаемости не определены однозначно при (л) 0. Магнитную проницаемость среды можно задавать произвольно. При наиболее общем подходе полагают /И = I (где I - единичный тензор). В этом случае, однако, даже при локальном взаимодействии поля с веществом граничные условия усложняются. Если ограничиться прибжжением локальной связи, как это делается в волноводной магнитооптике, то удобно ввести тензор /и с диагональными членами, равными единице. 2. Получен вид тензоров проницаемости для трех систем координат в кубическом кристалле. Выражения в дальнейшем используются при рассмотрении волноводного распространения света в монокристаллических пленках определенной ориентации. 3. В рамках теории связанных мод вычислены смещения эффективных показателей преломления мод и коэффициент связи. Получено условие фазового синхронизма мод. Вычислены интегралы перекрытия для конкретной волноводной структуры. 4. Получены тензоры проницаемости для монокристаллических пленок различной ориентации с учетом фотоупругости и магнитооптических эффектов. Приведены формулы для коэффициентов связи. 5. Рассмотрен общий случай периодической магнитооптической волноводной структуры, из которого получаются частные случаи, рассмотренные ранее в литературе. В качестве магнитооптической среды для создания различных функциональных элементов интегральной оптики были предложены /331, 354/ монокристаллические пленки ферритов-гранатов. Технология выращивания эпитаксиальных пленок граната /314/ разрабатывалась в связи с их использованием в запоминающих устройствах на цилиндрических магнитных доменах и в СВЧ-технике» В настоящей главе будут рассмотрены свойства эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов, которые определяют их волноводные характеристики.
В настоящее время пленки наилучшего качества получаются методом изотермической жидкофазной эпитаксии, предложенным в /267/. Все пленки, изучавшиеся в настоящей работе, были синтезированы этим методом, который подробно описан в литературе /49, 155, 314/. Технология получения пленок состоит из изготовления монокристаллических подложек и наращивания на них эпитаксиальных слоев.
Получение пленок высокого качества предъявляет прежде всего жесткие требования к однородности и бездефектности подложек. В настоящей работе все подложки изготавливались из га-долиний-галлиевого граната. Выращивались були GC(JQ-граната методом Чохральского /314/» Для получения воспроизводимых результатов по волноводному распространению света необходимо отбирать подложки без напряжений с минимально возможной деформацией приповерхностного слоя в результате обработки.
Технология изготовления как подложек, так и пленок, разрабатывалась в связи с их использованием в запоминающих устройствах на цилиндрических магнитных доменах и подробно описана в литературе (см.,например, /49, 138, 155, 314/). В настоящее время основными недостатками этой технологии для целей интегральной оптики являются большие оптические потери в пленках и невозможность контроля толщины пленки с большой точностью.
В дальнейшем наряду с общепринятыми сокращениями типа ГГГ - гадолиний-галжевый гранат, ИЖГ - иттрий-железный гранат, будут использоваться обозначения: Got Go. -гранат, Y р -гранат и так далее, то есть будут перечисляться элементы, входящие в состав граната, кроме кислорода.
В таблице 2.1 приведены некоторые технологические характеристики исследованных пленок. Пленки имеют сквозную нумерацию, которая используется в диссертации. Состав шихты в таблице обозначен буквами, которые соответствуют следующим концентрациям в мол.% или отношениям концентраций из /155/:
