Optoelectron. Semicond. Tech. 53, 149-160 (2018)

V. Morozhenko


The article gives an overview of theoretical and experimental investigations of magneto-optical effects in multilayer and single-layered magneto-optical resonator structures in the infrared spectrum range. Attention is paid to studying the influence of an external magnetic field on the spectral and angular dependences of reflection, transmission and thermal radiation of the structures located in the Faraday geometry with respect to the field. To calculate the optical characteristics of the resonator structures in a magnetic field, it was developed a theory of interaction of radiation with the structure in the conditions of the Faraday rotation of a polarization plane. As a result of the theoretical studies, it was ascertained that rotation of the polarization plane in a magnetic field changes the conditions of multipath interference in the resonator structure. It leads to significant changes in the optical characteristics of the resonator structures, which manifests itself in deformation of the interference pattern of both external light and own thermal radiation. The splitting of interference extremes into two components, which are shifted to the long-wave and short-wave regions of the spectrum, occurs. As a consequence, in the spectral and angular distributions, there is a beat effect with amplitude modulation of intensity oscillations. Moreover, the effect is observed for both polarized and non-polarized light. The theoretical results are confirmed by experimental studies of semiconductor single-layer resonators. In the experiments, the doped III-V compound semiconductors were used. Due to the low value of the electron effective mass, they have pronounced magneto-optical properties beyond the edge of fundamental absorption. On the basis of the obtained results, it has been concluded that the magneto-optical resonator structures are promising objects for creation of a new magneto-controllable optical devices on their basis for the medium and far infrared ranges. Examples of implementation of various radiation sources, optical modulators and switches have been adduced. The new method for determining the parameters of magneto-optical layer by analyzing its spectra in a magnetic field has been proposed.

Keywords: Faraday effect, transmission, reflection, thermal radiation, magneto-optical structures, infrared range.


1. Sun H., Lei Y., Fan S., Zhang Q., Guo H. Cavity-enhanced room-temperature high sensitivity optical Faraday magnetometry. Phys. Lett. A. 2017. 381. P. 129-135.

2. Sycz K., Gawlik W., Zachorowski J. Resonant Faraday effect in a Fabry-Perot cavity. Opt. Applicata. 2010. 40. P. 633-639.

3. Taskova E., Gateva S., Alipieva E., Kowalski K., Glódź M., Szonert J. Nonlinear Faraday rotation for optical limitation. Appl. Opt. 2004. 43. P. 4178-4181.

4. Ling H.Y. Theoretical investigation of transmission through a Faraday-active Fabry-Perot étalon. J. Opt. Soc. Am. A. 1994. 11. P. 754-758.

5. Zamani M., Hocini A. Giant magneto-optical Kerr rotation, quality factor and figure of merit in cobalt-ferrite magnetic nanoparticles doped in silica matrix as the only defect layer embedded in magnetophotonic crystals. J. Magn. Magn. Mater. 2018. 449. P. 435-439.

6. Mikhailova T.V., Berzhansky V.N., Shaposhnikov A.N. et al. Optimization of one-dimensional photonic crystals with double layer magneto-active defect. Opt. Mater. 2018. 78. P. 521-530.

7. Gevorgyan A.H., Golik S.S. Band structure peculiarities of magnetic photonic crystals. J. Magn. Magn. Mater. 2017. 439. P. 320-327.

8. Ignatyeva D.O., Knyazev G.A., Kapralov P.O., Dietler G., Sekatskii S.K., Belotelov V.I. Magneto-optical plasmonic heterostructure with ultranarrow resonance for sensing applications, Sci. Reports. 2016. 6. P. 1-7.

9. Jahani D., Soltani-Vala A., Barvestani J., Hajian H. Magneto-tunable one-dimensional graphene-based photonic crystal. J. Appl. Phys. 2014. 115. P. 153101-1-53101-9.

10. Da H., Liang G. Enhanced Faraday rotation in magnetophotonic crystal infiltrated with graphene. Appl. Phys. Lett. 2011. 98. P. 261915-1-261915-3.

11. Chung K.H., Kato T., Mito S., Takagi H., Inoue M. Fabrication and characteristics of one-dimensional magnetophotonic crystals for magneto-optic spatial light phase modulators. J. Appl. Phys. 2010. 107. P. 09A930-1-09A930-2.

12. Inoue M., Baryshev A.V., Khanikaev A.B. et al. Magnetophotonic materials and their applications. IEICE Trans. Electron. 2008. E91-C. P.1630-1638.

13. Li Q., Hu L., Mao Q., Jiang H., Hu Z., Xie K., Wei Z. Light trapping and circularly polarization at a Dirac point in 2D plasma photonic crystals, Opt. Commun. 2018. 410. P. 431-437.

14. Wen Zhou, Heming Chen, Ke Ji, Yuyang Zhuang. Vertically magnetic-controlled THz modulator based on 2-D magnetized plasma photonic crystal. Photonics and Nanostructures - Fundament. Appl. 2017. 23. P. 28-35.

15. Deghdak R., Bouchemat M., Lahoubi M., Pu S., Bouchemat T., Otmani H. Sensitive magnetic field sensor using 2D magnetic photonic crystal slab waveguide based on BIG/GGG structure. J. Comput. Electron. 2017. 16. P. 392-400.

16. Baek S., Baryshev A.V., Inoue M. Multiple diffraction in two-dimensional magnetophotonic crystals fabricated by the autocloning method, J. Appl. Phys. 2011. 109. P. 07B701-1-07B701-3.

17. Dokukin M.E., Baryshev A.V., Khanikaev A.B., Inoue M. Reverse and enhanced magneto-optics of opal-garnet heterostructures. Opt. Exp. 2009. 17. P. 9062-9070.

18. Wang Z., Fan S. Optical circulators in two-dimensional magneto-optical photonic crystals. Opt. Lett. 2005. 30. P. 1989-1991.

19. Hocini A., Moukhtari R., Khedrouche D., Kahlouche A., Zamani M. Magneto-photonic crystal microcavities based on magnetic nanoparticles embedded in Silica matrix. Opt. Commun. 2017. 384. P. 111-117.

20. Pavlov V.V., Usachev P.A., Pisarev R.V. et al. Optical study of three-dimensional magnetic photonic crystals opal/Fe3O4. J. Magn. Magn. Mater. 2009. 321. P. 840-842.

21. Fujikawa R., Baryshev A.V., Khanikaev A.B., Kim J., Uchida H., Inoue M. Enhancement of Faraday rotation in 3D/Bi:YIG/1D photonic heterostructures. J. Mater. Sci. Mater. Electron. 2009. 20. P. 493-497.

22. Li J., Tang N., Li T., Luo J., Yao L. Highly sensitive sensors of fluid detection based on magneto-optical Tamm state. Sensors Actuators B. 2018. 265. P. 644-651.

23. Wu Y.H., Cheng F., Shen Y.C., Lu G.Q., Li L.L. One-way transmission through merging of magnetic defect state and optical Tamm states. Optik. 2016. 127. P. 3740-3744.

24. Khanikaev A.B., Baryshev A.V., Inoue M., Kivshar Y.S. One-way electromagnetic Tamm states in magnetophotonic structures. Appl. Phys. Lett. 2009. 95. P. 011101-1-011101-3.

25. Kollyukh O.G., Morozhenko V. Angular and spectral peculiarities of the coherent thermal radiation of the magneto-optical Fabry-Perot resonator in a magnetic field. J. Opt. A. 2009. 11. P. 085503-1-085503-6.

26. Yariv A., Yuh P. Opticheskie volny v kristalah. Moskva, Mir, 1987. (in Russian)

27. Lancaster P. Theory of Matrices. New York, Academic Press, 1969.

28. Liptuga A.I., Morozhenko V.О. and Pipa V.I. 1D magnetophotonic crystals as controllable optical elements for the long-wave infrared. Збірник тез 5-ї міжнародної науково-технічної конференції "СЕМСT-5". 4-8 червня 2012, Одеса. P. 173.

29. Liptuga A.I., Morozhenko V.О., Pipa V.I. Thermal emission of one-dimensional magnetophotonic crystals. J. Opt. 2013. 15. P. 075104-1-075104-6.

30. Liptuga A., Morozhenko V., Pipa V., Venger E., Kostiuk T. Faraday-active Fabry-Perot resonator: transmission, reflection, and emissivity. J. Opt. Soc. Am. A, 2012. 29. P. 790-796.

31. Madelung O. Semiconductors: Data Handbook. Berlin, Springer, 2004.

32. Morozhenko V., Maslov V., Kachur N. Manifestation of the Faraday effect in non-polarized light under optical resonance conditions. Opt. Commun. 2018. 426. P. 423-426.

33. Liptuga A.I., Morozhenko V.О., Pipa V.I. Transmission, Reflection and Thermal Radiation of a MagnetoOptical Fabry-Perot Resonator in Magnetic Field: Investigations and Applications. In: Infrared Radiation, V. Morozhenko (ed.). Croatia, InTech, 2012. P. 57-84.

34. Kollyukh О.G., Liptuga A.I., Morozhenko V.О., Pipa V.I. Magnetic-field modulation of the spectrum of coherent thermal radiation of semiconductor layers. Phys. Rev. B. 2005. 71. P. 073306-1-073306-4.

35. Kollyukh О.G., Liptuga A.I., Morozhenko V.О., Pipa V.I. Effect of the optical characteristics of semiconductorre sonator structures on the amplitudes of their thermal radiation lines. Opt. Commun. 2006. 260. P. 607-613.

36. B.J. Lee, C.J. Fu, Z.M. Zhang. Coherent thermal emission from one-dimensional photonic crystals. Appl. Phys. Lett. 2005. 87. P. 071904-1-071904-3.

37. Morozhenko V.O. Eksperimentalne pidtverdzhennya aksialnoyi simetriyi teplovogo viprominyuvannya 1D rezonatornoyi strukturi. Tezi dopovidej VIII Ukrayinskoyi naukovoyi konferenciyi z fiziki napivprovidnikiv, 2-4 zhovtnya 2018, Uzhgorod. S. 241-242. (in Ukrainian)

38. Ishanin G.G., Pankov E.D., Adreev A.L., Polshikov G.V. Istochniki i priemniki izlucheniya. Sankt-Peterburg, Politehnika, 1991. (in Russian)

39. Kislij V.P., Liptuga A.I., Morozhenko V.A., Pipa V.J. Viznachennya kuta Faradeya v napivprovidnikovih ploskoparalelnih sharah ta strukturah. Tezi dopovidej V Ukrayinskoyi naukovoyi konferenciyi z fiziki napivprovidnikiv UNKFN-5, 9-15 zhovtnya 2011, Uzhgorod. C. 262-263. (in Ukrainian)

40. Cardona M. Electron Effective Masses of InAs and GaAs as a Function of Temperature and Doping. Phys. Rev. 1961. 121. P. 752-758.

41. Morozhenko V. Magneto-Optical Cavity-Type Resonators as Controllable Narrow-Band Sources of Infrared Radiation. Am. J. Modern Phys. and Appl. 2018. 5, No 4. P. 77-81.

42. Kislij V.P., Liptuga A.I., Maslov V.P, Morozhenko V.O. Vuzkosmugove dzherelo infrachervonogo viprominyuvannya iz kerovanoyu spektralnoyu harakteristikoyu. Patent Ukrayini na vinahid № 102615, MPK: H01L 33/04, H01L 27/15, B82Y 20/00; byul. № 14/2013. (in Ukrainian)

43. Maslov V.P., Morozhenko V.O. Kerovane vuzkosmugove dzherelo infrachervonogo viprominyuvannya. Patent Ukrayini na vinahid №118467, MPK: H01L 31/09, H01L 27/15, H01L 33/04, byul. № 2/2019. (in Ukrainian)

44. Maslov V.P., Morozhenko V.O. Infrachervonij kerovanij test-ob'yekt z vuzkosmugovim spektrom viprominyuvannya. Patent Ukrayini na vinahid № 117955, MPK: G01M 11/02, G01J 1/00, F41G 3/32; byul. № 20/2018. (in Ukrainian)

В.О. Мороженко


У статті наведено огляд теоретичних та експериментальних досліджень магнітооптичних ефектів у багатошарових і одношарових магнітооптичних резонаторних структурах в інфрачервоному діапазоні спектра. Увага приділена дослідженням впливу зовнішнього магнітного поля на спектральні та кутові залежності відбиття, пропускання та теплового випромінювання структур, розміщених у геометрії Фарадея відносно поля. Для розрахунків оптичних характеристик резонаторних структур у магнітному полі було розроблено теорію взаємодії випромінювання із структурою в умовах фарадеєвського обертання площини поляризації світла. В результаті теоретичних досліджень встановлено, що обертання площини поляризації випромінювання в магнітному полі змінює умови багатопроменевої інтерференції в резонаторній структурі. Це призводить до істотних змін оптичних характеристик резонаторних структур, що проявляється в деформації інтерференційних картин як зовнішнього світла, так і власного теплового випромінювання. Відбувається розщеплення інтерференційних екстремумів на дві складові компоненти, що зміщуються в довгохвильову та короткохвильову області спектра. Як наслідок, у спектральних та кутових розподілах спостерігається ефект биття з амплітудною модуляцією осциляцій інтенсивності. Встановлено, що цей ефект спостерігається як для лінійно поляризованого, так і для неполяризованого світла. Теоретичні результати підтверджені експериментальними дослідженнями напівпровідникових одношарових резонаторів. В експериментах використовувались леговані напівпровідники групи AIIIBV електронного типу. Завдяки низькому значенню ефективної маси електронів, вони мають високі магнітооптичні властивості за краєм фундаментального поглинання. На основі отриманих результатів зроблено висновок, що магнітооптичні резонаторні структури є перспективними об’єктами для створення на їх основі нових магнітокерованих оптичних пристроїв для середнього та дальнього інфрачервоного діапазону. Наведено приклади реалізації джерел випромінювання різного призначення, оптичних модуляторів та затворів. Також запропоновано нову методику встановлення параметрів магнітооптичного шару шляхом аналізу його спектрів у магнітному полі.

Ключові слова: ефект Фарадея, пропускання, відбиття, теплове випромінювання, магнітооптичні структури, інфрачервоний діапазон.