1.5.2. Модуляторы с термомагнитным переключением

1.5.2.1. Принцип переключения

Намагниченность как сумма дипольных моментов ионов является чувствительной к температуре и падает при приближении к точке Кюри. В ферримагнитных гранатах суммарная намагниченность представляет собой небольшую по величине разность сильных антипараллельных намагниченностей, возникающих вследствие различных дипольных моментов ионов с различными чувствительностями к температуре. В итоге суммарная намагниченность достаточно сильно зависит от температуры.

При термомагнитном переключении используется чувствительность намагниченности в области больших температур. При определенной температуре, называемой температурой компенсации (рис. 1.16), правильным подбором состава граната даже возможно получить нулевую суммарную намагниченность.

При температурах, больших температуры компенсации для указанного материала, максимальная намагниченность насыщения, как правило, очень мала по сравнению с полем анизотропии. Поле анизотропии в свою очередь при температуре компенсации становится бесконечно большим (оно определено как сила, действующая на намагниченность) и спадает, когда температура повышается (рис. 1.16). Этот эффект используется на практике для уменьшения разности путем локального нагрева магнитооптического материала (термомагнитное переключение).

В используемых на практике материалах температура компенсации лежит в пределах от —10 до 0 °С. При нагреве приблизительно до 200 °С поле анизотропии, уменьшенное на

величину намагниченности насыщения очень низко. При этом становится возможным переключение в полях порядка . В результате появляется домен с противоположным направлением ориентации намагниченности, зародившийся в пределах нагретого участка. Если приложенное переключающее поле в то же время превышает поле насыщения ненагретой части ячейки, новый домен увеличивается за счет движения доменной стенки (в соответствии с линией, проходящей на рис. 1.9 от центра в направлении до тех пор, пока наконец намагниченность ячейки полностью не достигнет нового насыщенного состояния с противоположной намагниченностью. Таким образом, во время переключающего цикла имеют место два процесса. Во-первых, при подаче поля к локально нагретому участку зарождается домен и, во-вторых, осуществляется переход ячейки в насыщенное состояние за счет перемещения доменной стенки под действием силы, порождаемой приложенным полем. Если поле выключить на промежуточной стадии, ячейка может остаться в размагниченном состоянии с двумя доменами.

Рис. 1.16. Зависимости намагниченности насыщения и поля анизотропии от температуры для магнитооптического материала, обладающего точкой компенсации. Внизу показана типичная петля гистерезиса при комнатной температуре и соответствующей нагретому участку повышенной температуре,

(кликните для просмотра скана)

Экспериментальная реализация этой концепции схематично показана на рис. 1.17 и 1.18 [8, 21]. Тонкопленочное сопротивление нанесено на край переключающей ячейки и соединено с тонкопленочной металлической адресной шиной. При пропускании токового импульса выделяется омическое тепло, и материал снизу под резистором нагревается. Магнитное поле для переключения создается второй металлической шиной, располагаемой перпендикулярно первой.

Типичная переключающая характеристика показана на рис. 1.19. Нагрев до достаточно высокой температуры требует около 15 мкс. После чего импульс магнитного поля переключает ячейку за время 10 мкс (сумма интервалов времени, требуемых на зарождение доменов и перемещение магнитной доменной стенки по ячейке). Следовательно, в пределе могут быть получены 40 000 тепловых циклов в секунду.

1.5.2.2. Проблемы перекрестной адресации [22]

В магнитооптическом модуляторе с перекрестной -адресацией нагревающие резисторы вдоль одного ряда ячеек соединены

Рис. 1.19, Матрица переключения линейно-поляризованного света с 512 объединенными на одном чипе переключающими ячейками, расположенными с шагом в 62,5 мкм. На изображении тонкопленочной структуры, полученном с помощью электронного микроскопа, видны зигзагообразно расположенные ячейки, нагревающие элементы и тонкопленочная адресная шина. Справа внизу показаны типичные переключающие характеристики.

последовательно. В перпендикулярных им канавках размещены шины, по которым подаются импульсы магнитного поля. Чтобы добиться устойчивого переключения, резисторы должны быть близко расположены к управляющим магнитным шинам. Переключающее поле задается выражением

где I — протекающий в магнитной управляющей шине ток, — расстояние от центра управляющей шины до резистора (см. рис. 1.17 и 1.18). Переключение определяется условием нагретого материала Поле на наиболее удаленном крае от управляющей шины равно Это поле должно превышать поле насыщения «холодного» материала, т. е. должно выполняться неравенство Чтобы избежать переключения соседних ячеек, поле

должно быть меньше где — расстояние от центра магнитной управляющей шины до резистора в соседнем столбце ячеек. Таким образом, ток I ограничен условием

или

Это условие определяет точность, с которой должны быть изготовлены резисторы.

Примером типичной экспериментальной разработки данного типа является матрица ячеек, расположенных с шагом в 100 мкм и с канавками в 10 мкм. Площадь резистивного нагревателя при этом должна быть При сравнительно свободном размещении ячеек составляет 15 мкм, а ток, который пропускают по магнитной управляющей шине и определяют из условия составляет около 470 мА (считается, что переключающие поля составляют Расстояние до следующего нагревателя составляет около 90 мкм. Это дает фактор защищенности от переключения соседних ячеек в

Для перемещения образовавшейся магнитной доменной стенки из нагретой области через всю ячейку материал следует подбирать таким, чтобы выполнялось условие

1.5.2.3. Проблемы теплоотвода и электромиграция

В реальных устройствах нельзя пренебрегать омическими потерями в магнитных управляющих шинах. Рассматривая переключающее поле Н на расстоянии от центра шины, получим, что омические потери на расстоянии от шины определяются выражением

где - удельное сопротивление используемого металла, — высота шины, а да— ширина проводника. В случае использования золотой шины при сечении у-шины (максимум задается толщиной магнитооптической пленки, составляющей около 5 мкм, если шина целиком заполняет канавку) потери, приходящиеся на 1 см, составят около 1 Вт. Эта мощность переходит в тепло за время (менее 10 мкс), в течение которого прикладывается магнитное поле. Энергетические потери за акт переключения составляют довольно высокую величину — 10 мкВт/см. При переключении матричного модулятора эту величину следует умножить на число переключающих ячеек. Например, переключение 104 ячеек в матрице размером см дает величину выделяемой мощности в за время переключения матрицы и соответственно среднюю мощность в за 1 с.

В соответствии с формулой можно ожидать небольшого снижения потерь в случае уменьшения ширины проводника да. Однако, поскольку размеры нагревательного элемента не могут быть резко уменьшены из-за возникающей в этом случае проблемы воспроизводимости устройства, функция при уменьшении да резко не изменится. Любого значительного снижения тепловых потерь можно ожидать только за счет улучшения свойств материалов (т. е. уменьшения так как Второй эффект, который следует рассмотреть, это электромиграция в тонких проводниках при высоких плотностях тока [23]. Плотности тока, превышающие обычно А/см2, вызовут химическое разрушение материала проводника [24].

Для обсуждавшихся до сих пор численных примеров плотность тока ограничивается этим пределом. Дальнейшее снижение размера проводников при том же токе, следовательно, невозможно.

Тепловая энергия, необходимая для переключения магнитооптической ячейки, составляет около на ячейку. При типичном времени нагрева ячейки в это дает пиковую приходящуюся на 1 ячейку мощность в 33 мВт. В матрице

последовательно соединены в одном ряду ячеек, что дает на 1 ряд (3,3 Вт в случае матрицы в 100 X 100 элементов).

Так как за тепловым импульсом должны следовать импульсы магнитного поля длительностью минимальное время цикла переключения составляет что соответствует 40 000 циклам в секунду. При переключениях с этой предельной скоростью средняя мощность, рассеиваемая в нагревательных элементах, составляет для представленного численного примера). Управляющее напряжение, прикладываемое к -шине, следует выбирать максимально возможным, чтобы сохранить на низком уровне ток и дополнительные потери в х-шине. Напряжение в 20 В, например, приводит к управляющим токам в 100 мА и дополнительным потерям мощности около если поперечное сечение х-шины также составляет

Пиковая мощность, необходимая для проведения пошаговой адресации, таким образом, составляет около для матрицы в 100 элементов. Для переключения с максимальной скоростью 40 000 переключений в секунду требуется средняя мощность в 3 Вт. Дальнейшее увеличение может произойти при построчном переключении ячеек. Одновременное переключение М ячеек требует в М раз большей мощности на -шине (например, для Переключение одновременно всех ячеек матрицы потребовало бы слишком большой пиковой мощности, и, кроме того, возникают жесткие проблемы перекрестных наводок. В предельном случае магнитные поля смежных шин-столбцов могут в сумме давать те же порядки величин, что и адресующие поля в ячейках. При одновременном переключении ячеек следует выбирать их на максимальном расстоянии друг от друга.

1.5.2.4. Линейки элементов с термической адресацией

Для линейной матрицы элементов, состоящей только из одного столбца ячеек, термомагнитное переключение, осуществляемое с помощью нагревательных элементов, является наиболее подходящим, так как управляющие токи в нагревательном элементе могут составлять только несколько миллиампер при напряжениях около 8 В. Это позволяет осуществлять непосредственное и параллельное управление с помощью полупроводниковых элементов с высокой степенью интеграции. Избирательное переключение в этом случае достигается с помощью термической адресации подачей магнитного поля сразу на всю матрицу. Этот принцип используется в магнитооптической матрице переключения света, показанной на рис. 1.19. Управляющие токи для термического переключения

поступают в -канальных МОП интегральных схем, установленных на каждой из сторон матрицы. Пр и этом может выполняться до 2000 циклов переключения в секунду, что соответствует скорости передачи данных изображения в 1 Мбит/с [25].