1.5.3. Модулятор света «лайтмод» с магнитной адресацией

1.5.3.1. Принцип работы

В устройстве «лайтмод» [11] уменьшение переключающего поля достигается с помощью имплантации отдельных участков магнитооптического материала ионами (рис. 1.20). Имплантация ионов вызывает внутренние напряжения, направленные перпендикулярно плоскости пленки и параллельно оси поля анизотропии. Эти напряжения снижают поле анизотропии. На рис. 1.21 показано типичное уменьшение величины переключающего поля в зависимости от индуцированных напряжений.

Ионно-имплантированная область переключающей ячейки в «лайтмоде», имеющем пониженные переключающие поля, расположена вблизи точки пересечения и -адресных шин (рис. 1.20). При подаче токовых импульсов по адресным шинам поле в центре имплантированной области определяется как

где — расстояние от центра адресной шины до центра имплантированной области. Для образования домена с обратным направлением намагниченности это поле по величине должно по меньшей мере превосходить переключающее поле. И если приложенное поле оказывается достаточно большим, чтобы продвинуть доменную стенку по ячейке, то новый возникший домен за счет движения стенок начинает увеличиваться в размерах. И опять-таки ячейка переходит в насыщенное состояние, если приложенное поле превышает поле насыщения по всей площади ячейки. Чтобы избежать переключения соседней ячейки по отношению к адресуемой, ток, пропускаемый по шине выбора ячейки, не должен превышать в два раза минимальное значение, необходимое для переключения в адресуемой точке пересечения шин. Условием селективного переключения, таким образом, является

В реальных устройствах следует принимать во внимание статистический разброс переключающего поля в имплантированной области.

Глубина имплантации ионов составляет величину, близкую

(кликните для просмотра скана)

0,5 мкм. Детальный анализ процесса зарождения доменов и величины поля, требуемого для продвижения возникшей доменной стенки из имплантированной в неимплантированную область ячейки, показывает, что минимальные переключающие поля Ямин должны составлять приблизительно 12 кА/м [10]. Из-за сильного градиента поля анизотропии в центре и на границе имплантированной области возникает градиент энергии магнитной доменной стенки. Это приводит к появлению силы, оказывающей «давление» на стенку, направленной от центра имплантированной области и заставляющей домен снова сжиматься. Чтобы преодолеть это сжатие, требуется минимальное переключающее поле Ямин, даже если величина уменьшена до нуля за счет высокой дозы имплантации в центре имплантированной области. Время переключения в основном определяется скоростью движения доменной стенки. Наблюдавшиеся времена переключения находятся в пределах что соответствует скорости движения стенки около Переключение, таким образом, происходит намного быстрее, чем у термически адресуемых модуляторов, обсуждавшихся в подразд. 1.5.1, где время переключения ограничено тепловыми процессами. Устройство «лайтмод» с элементами, смонтированное на керамической подложке с межсоединениями, показано на рис. 1.2.2.

1.5.3.2. Управляющие токи, проблемы теплоотвода и электромиграция

Для матрицы в ячеек с шагом 100 мкм и шириной канавок 10 мкм минимальные переключающие поля в и -адресных шинах, составляющие Ямин требуют пропускания импульсов тока величиной около

Расстояние от центра шин до центра имплантированной области в данном случае составляет приблизительно 10 мкм.

Соответствующие омические потери мощности в адресных шинах длиной тогда составляют

где — поперечное сечение шин (см. рис. 1.20). Толщина адресных шин может быть доведена до значения толщины пленки (обычно составляющая 5 мкм). Для рассмотренного численного примера результирующие потери мощности в золотой шине длиной 1 см составляют около 2,5 Вт. Переключение с максимальной скоростью требует подвода мощности около (сумма по и у-шинам) к

рассматриваемой матрице в элементов. В принципе ряды элементов также могут переключаться одновременно за счет одновременного включения -шин. Однако в этом случае помимо проблемы создания перекрестных помех смежными шинами с одинаковым направлением тока возникает еще и проблема, связанная с ростом сложности управляющей электронной схемы, что объясняется необходимостью обеспечить подвод пиковой мощности, приходящейся на одну адресную шину (2,5 Вт для обсуждавшегося примера), умноженную на число у-шин. Для простоты в дальнейшем будет предполагаться последовательное переключение элемента за элементом, что приемлемо для большинства применений.

При увеличении размера и числа ячеек потери мощности будут увеличиваться по крайней мере пропорционально размеру. В настоящее время максимальный доступный размер подложек составляет 7,5 см. Следовательно, могут быть реализованы модуляторы, имеющие размер мм, что соответствует матрице ячеек с шагом 100 мкм. Возможно и уменьшение шага; однако минимальный размер канавок задан толщиной пленки, умноженной на коэффициент, определяемый технологией травления. Так как толщина пленки в большинстве случаев должна быть максимально возможной для достаточного угла поворота плоскости поляризации, снижение размера ячеек снизит потери на оптическое маскирование (до настоящего момента технология травления применялась для пленок толщиной от 5 до 7 мкм и позволяет получить канавки глубиной около 10 мкм).

В примере, приведенном на рис. 1.2, показаны ячейки с минимальным размером в 10 мкм, разделенные канавками в 10 мкм (шаг 20 мкм). Потери на маскирование для этого устройства будут составлять 75% по сравнению с 19% для устройства с шагом 100 мкм и канавками в 10 мкм.

С другой стороны, уменьшение размера ячеек приведет к увеличению скорости переключения, если полагать, что скорость движения магнитной доменной стенки не изменяется. В первом порядке приближения до тех пор, пока рассматривается время магнитного переключения, время переключения матрицы с заданной площадью не зависит от числа адресных шин или размера ячеек в матрице. Однако практически необходимо рассматривать дополнительные времена задержки в электронных управляющих цепях. Они не зависят от размера ячеек и суммируются в зависимости от числа адресных шин. Таким образом, поскольку требуется переключать довольно большие величины импульсных токов, то в конечном счете предельные времена переключения определит управляющая электроника. Заметим также, что, как и в случае модулятора с термомагнитным переключением, здесь следует учитывать

Рис. 1.22. Модулятор «лайтмод» с матрицей в элементов, размещенной на керамической подложке схемы. Система межсоединений адресных шин содержит диодную схему выборки для уменьшения числа управляющих шин

ограничения, связанные с электромиграцией. Для токов адресации в 300—400 мА поперечное сечение адресных шин должно составлять по крайней мере чтобы не подвергнуться действию электромиграции, связанной с разрушением шины при слишком больших плотностях токов.