Введение к работе
- З -
Актуальность темы. Получение высококачественных эпитакеи-алышх феррит-гранатовых пленок (ФГП), сочетающих гигантские уровни магнитооптических (МО) эффектов с хорошей прозрачностью в ближнем ИК диапазоне [1], стимулировало развитие магнитоопти-кя в целом и наиболее перспективного ее направления - интегральной магнитооптики. Высокое быстродействие и оптическая эффективность, а также возможность получения хорошо выраженных невзаимных эффектов делают магнитогиротропные (МГ) структуры на основе ФГП незаменимыми для решения многих практичееки важных задач. Кроме того методы волноводной магнитооптики позволяют с высокой степенью точности определять параметры пленок, некоторые из параметров не могут быть найдены другими методами.
Особенностью МГ волноводных структур является сильная зависимость эффективности преобразования мод от ориентации магнитного момента в волноводном слое, что позволяет легко управлять параметрами излучения с помощью внешнего магнитного поля. Реализация как статических, так и динамических волноводных режимов значительно расширяет возможности интегральной магнитооптики и требует углубленного теоретического анализа. Использование для модуляции света динамического преобразования мод [2] в условиях нелинейного ферромагнитного резонанса (ФМР) с большими углами прецессии, выявило необходимость изучения модового взаимодействия в пленарных МГ волноводах с произвольной ориентацией намагниченности. Дальнейшее расширение функциональных возможностей МГ волноводов связано с применением многодоменных структур. Высокое качество полосовой доменной структуры (ПДС), легко формируемой в ФГП позволяет реализовать управляемую магнитным полем МО брэгговскую дифракцию волноводных мод на ВДС не колько в коллинеарном, но и в неколлинеарном режиме (3,4], до сих пор не исследованном теоретически.
Анализ собственных и связанных затухающих мод, несмотря на малое поглощение ФГП, представляет большой интерес, а во многих случаях является необходимым при исследовании МГ волноводов. Кроме того, вопросы связанные с влиянием комплексной диэлектрической проницаемостью (ДП) волноводного слоя на параметры мод, встают при рассмотрении усиливающих МГ волноводов [53 и возможности получения режима генерации связанных ортогонально голяри-
зованных мод. Таким образом, избранная тема исследований является актуальной как в чисто научном, так и в практическом плане. Цель работы: исследование особенностей распространения оптического излучения в пленарных МГ волноводах с произвольной ориентацией магнитного момента в волноводном слое; анализ влияния поглощения и усиления на характеристики волноводных режимов. В соответствии с этим поставлены и решены следующие задачи: .
выявление оптимальных параметров однородно намагниченной волноводной структуры для статических режимов преобразования мод волновода;
рассмотрение невзаимных эффектов и возможности управления взаимодействием мод за счет изменения ориентации намагниченности в связанных и каскадных МГ волноводах;
исследование динамических режимов преобразования волноводных мод в условиях однородной прецессии магнитного момента; рассмотрение больших углов прецессии в режиме нелинейного ШР;
исследование влияния поглощения и усиления волноводного слоя на собственные мода и на их взаимодействие в МГ средах;
анализ особенностей коллинеарной и неколлинеарной МО брэг-говской дифракции в волноводах с полосовой доменной структурой;
Научная новизна работы.
Проведен анализ распространения и преобразования мод различных порядков в МГ пленарных волноводах с произвольной ориентацией намагниченности и с учетом ростовой анизотропии пленки. Различные типы волноводных структур рассмотрены в широком диапазоне толщин волноводного слоя. Исследованы динамические режимы преобразования мод в условиях нелинейного ЗМР на частоте резонанса и кратных частотах.
Получены дисперсионные соотношения и уравнения связанных мод для МГ волноводов с комплексной ДП пленки. Впервые теоретически исследован неоецилляционный режим взаимодействия затухающих мод, общий для различных планарных волноводов. Получено новое условие модовой отсечки для поглощающих и усиливающих волноводов.
Найдены соотношения ортогональности и уравнения связи для случая неколлинеарного распространения мод. На основе полученных соотношений теоретически предсказывается МО брэгговская дифракция волноводных мод на полосовой доменной структуре с сохранением поляризации. Рассматривается возможность генерации
света в МГ усиливающих волноводах с ПДС, где ТЕ и ТМ- моды одновременно участвуют в генерационном процессе.
Практическая ценность работы заключается в том, что:
- выявлена возможность управления параметрами оптического
излучения в МГ волноводе за счет изменения ориентации магнитно
го момента, что может быть использовано для создания интеграль
ных МО модуляторов, изоляторов и вентилей;
-- анализ периодических по намагниченности волноводов значительно расширяет возможности МО интегральных дефлекторов и генераторов, иепользущих ВДС в качестве распределенной обратной связи.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Существенная зависимость эффективности преобразования
мод однородно намагниченного волновода от ориентации магнитного
момента волноводного слоя позволяет с помощью внешнего магнит
ного поля управлять параметрами излучения в МО элементах,
созданных на основе пленарних МГ структур:
в односекционных волноводах реализуется полное преобразование ТЕ (ІМ)-мода з ортогонально поляризованную на характерной для мод каящого порядка толщине волноводного слоя, при втом длина преобразования определяется ориентацией магнитного момента;
к каскадных двухсекционных структурах за счет подбора ориентации намагниченности в каждой из секций достигаются режимы 100 прямого и обратного однонаправленного модового преобразования в широком диапазоне толщин МГ волноводного слоя;
в связанных МГ волноводах посредством изменения ориентации намагниченности возможно управление межволноводным коэффициентом связи, что позволяет изменять в 2-3 раза эффективность взаимодействия мод волноводов.
-
В волноводе с однородно прецеееирующей намагниченностью реализуется эффективное динамическое преобразование мод на основной и кратных частотах (гЗуаі30)~ 0.3 * 0,4 для пленки жэлезо-итриевого граната (ЖИГ)); характеристики осуществляемой при этом модуляции излучения определяются направлением оси прецессии, длиной волновода, а также поляризацией высокочастотного поля в режиме нелинейного ШР с большими углами прецессии.
-
В периодическом волноводе с полосовой доменной структурой наряду с коллинеарной (180-градусной) МО брэгговской дифракцией реализуется неколлинеарная дифракция волноводных мод, в
режиме которой вводимая и дифрагировавшая моды могут иметь как ортогональные, так и одинаковые поляризации; ширина запрещенной частотной зоны для моды, испытывающей брэгговское отражение, определяется коэффициентом меямодовой связи.
4. Поглощение и усиление волноводного слоя вносят дополнительный вклад в межмодовую связь, вызывают увеличение локализации слабо направляемых мод и приводят к возникновению направленного к волноводному слою, затухающего при удалении от волновода поперечного потока энергии;
Ъ- В условиях, близких к фазовому синхронизму, между модами, о достаточно сильно отличающимися мнимыми частями постоянных распространения (ПР), обмен энергией перестает носить осцилля-ционный характер, при этом затухание мод оказывается зависящим от коэффициента связи и становится возможным управление затуханием излучения, распространяющегося в волноводе.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на 17-й конференции по распространению радиоволн (Ульяновск 1993), на 14-ой и 15-ой Всероссийских школах-семинарах "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Москва 1994, 1996), на 15-ом Международном симпозиуме по теории электромагнетизма (Россия, Санкт-Петербург, 1995), на научных семинарах в филиале МГУ им М.В.Ломоносова (Ульяновск).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 12 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 187 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок ж 3 таблицы. Список литературы включает 148 наименований.