Magnetophotonics pp 163-190

Part of the Springer Series in Materials Science book series (SSMATERIALS, volume 178) | Cite as

Magnetophotonic Crystals: Experimental Realization and Applications

Abstract

The most striking feature of photonic crystals, compared with homogeneous optical materials, is the existence of photonic band gaps. The band gaps are responsible for resonant light coupling to constituents of photonic crystals in both the cases where periodicity is ideal or broken by defects introduced intentionally. What if photonic crystals are made of magnetic materials? May magnetism bring about new advances in the field of photonic crystals where not only amplitudes but also polarization states are controlled by the spin subsystem? Below we will discuss magnetophotonic crystals and show that light confinement in their non-reciprocal magnetic constituents results in new magneto-optical phenomena. This chapter reviews studies on magnetophotonic crystals with various designs; it focuses on their experimental realizations, theoretical analysis and application to spatial light modulators.

References

  1. 1.
    E. Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 58, 2059 (1987) CrossRefGoogle Scholar
  2. 2.
    S. John, Phys. Rev. Lett. 58, 2486 (1987) CrossRefGoogle Scholar
  3. 3.
    K. Sakoda, Optical Properties of Photonic Crystals (Springer, Berlin, 2001) Google Scholar
  4. 4.
    J.D. Joannopoulos, R. Meade, J. Winn, Photonic Crystals (Princeton University Press, New Jersey, 1995) Google Scholar
  5. 5.
    M.F. Limonov, R.M. De la Rue, Optical Properties of Photonic Structures: Interplay of Order and Disorder (SRC Press/Taylor and Francis Book, New York, 2012) CrossRefGoogle Scholar
  6. 6.
    M. Inoue, T. Yamamoto, K. Isamoto, T. Fujii, J. Appl. Phys. 79, 5988 (1996) CrossRefGoogle Scholar
  7. 7.
    M. Inoue, T. Fujii, J. Appl. Phys. 81, 5659 (1997) CrossRefGoogle Scholar
  8. 8.
    M. Inoue, K.I. Arai, T. Fujii, M. Abe, J. Appl. Phys. 83, 6768 (1998) CrossRefGoogle Scholar
  9. 9.
    M.J. Steel, M. Levy, R.M. Osgood, IEEE Photonics Technol. Lett. 12, 1171 (2000) CrossRefGoogle Scholar
  10. 10.
    H. Kato, T. Matsushita, A. Takayama, M. Egawa, K. Nishimura, M. Inoue, J. Appl. Phys. 93, 3906–3911 (2003) CrossRefGoogle Scholar
  11. 11.
    I.L. Lyubchanskii, N.N. Dadoenkova, M.I. Lyubchanskii, E.A. Shapovalov, Th. Rasing, J. Phys. D, Appl. Phys. 36, R277–R287 (2003) CrossRefGoogle Scholar
  12. 12.
    A. Figotin, I. Vitebskiy, Phys. Rev. B 67, 165210 (2003) CrossRefGoogle Scholar
  13. 13.
    S. Kahl, A.M. Grishin, Appl. Phys. Lett. 84, 1438 (2004) CrossRefGoogle Scholar
  14. 14.
    A.V. Baryshev, T. Kodama, K. Nishimura, H. Uchida, M. Inoue, J. Appl. Phys. 95, 7336 (2004) CrossRefGoogle Scholar
  15. 15.
    O.A. Aktsipetrov, T.V. Dolgova, A.A. Fedyanin, R.V. Kapra, T.V. Murzina, K. Nishimura, H. Uchida, M. Inoue, Laser Phys. 14, 685–691 (2004) Google Scholar
  16. 16.
    V.I. Belotelov, A.K. Zvezdin, J. Opt. Soc. Am. B 22, 286–292 (2005) CrossRefGoogle Scholar
  17. 17.
    A. Khanikaev, A. Baryshev, M. Inoue, A. Granovsky, A. Vinogradov, Phys. Rev. B 72, 035123 (2005) CrossRefGoogle Scholar
  18. 18.
    A.M. Merzlikin, A.P. Vinogradov, M. Inoue, A.B. Granovsky, Phys. Rev. E 72, 046603 (2005) CrossRefGoogle Scholar
  19. 19.
    M. Inoue, R. Fujikawa, A. Baryshev, A. Khanikaev, P.B. Lim, H. Uchida, O. Aktsipetrov, A. Fedyanin, T. Murzina, A. Granovsky, J. Phys. D, Appl. Phys. 39, R151 (2006) CrossRefGoogle Scholar
  20. 20.
    P.E. Wolf, G. Maret, Phys. Rev. Lett. 55, 2696 (1985) CrossRefGoogle Scholar
  21. 21.
    A.K. Zvezdin, V.A. Kotov, Modern Magnetooptics and Magnetooptical Materials (Taylor and Francis, New York, 1997) CrossRefGoogle Scholar
  22. 22.
    A.B. Khanikaev, A.B. Baryshev, P.B. Lim, H. Uchida, M. Inoue, A.G. Zhdanov, A.A. Fedyanin, A.I. Maydykovskiy, O.A. Aktsipetrov, Phys. Rev. B 78, 193102 (2008) CrossRefGoogle Scholar
  23. 23.
    A.P. Vinogradov, Yu.E. Lozovik, A.M. Merzlikin, A.V. Dorofeenko, I. Vitebskiy, A. Figotin, A.B. Granovsky, A.A. Lisyansky, Phys. Rev. B 80, 235106 (2009) CrossRefGoogle Scholar
  24. 24.
    G. Borrmann, Phys. Z. 42, 157 (1941) Google Scholar
  25. 25.
    A.B. Khanikaev, M. Inoue, A.B. Granovsky, J. Magn. Magn. Mater. 300, 104 (2006) CrossRefGoogle Scholar
  26. 26.
    R. Rosenberg, C.B. Rubinstein, D.R. Herriott, Appl. Opt. 3, 1079–1083 (1964) CrossRefGoogle Scholar
  27. 27.
    S.I. Khartsev, A.M. Grishin, Appl. Phys. Lett. 87, 122504 (2005) CrossRefGoogle Scholar
  28. 28.
    A.M. Grishin, S.I. Khartsev, H. Kawasaki, Appl. Phys. Lett. 90, 191113 (2007) CrossRefGoogle Scholar
  29. 29.
    S.I. Khartsev, A.M. Grishin, J. Appl. Phys. 101, 053906 (2007) CrossRefGoogle Scholar
  30. 30.
    T. Goto, A.V. Baryshev, K. Tobinaga, M. Inoue, J. Appl. Phys. 107, 09A946 (2010) CrossRefGoogle Scholar
  31. 31.
    Y. Haga, T. Goto, A.V. Baryshev, M. Inoue, J. Magn. Soc. Jpn. 36, 54–57 (2012) CrossRefGoogle Scholar
  32. 32.
    F. Villa, J.A. Gaspar-Armenta, Opt. Commun. 223, 109 (2003) CrossRefGoogle Scholar
  33. 33.
    A. Kavokin, I. Shelykh, G. Malpuech, Appl. Phys. Lett. 87, 261105 (2005) CrossRefGoogle Scholar
  34. 34.
    F. Villa, J.A. Gaspar-Armenta, Opt. Express 12, 2338 (2004) CrossRefGoogle Scholar
  35. 35.
    A.P. Vinogradov, A.V. Dorofeenko, S.G. Erokhin, M. Inoue, A.A. Lisyansky, A.M. Merzlikin, A.B. Granovsky, Phys. Rev. B 74, 045128 (2006) CrossRefGoogle Scholar
  36. 36.
    A.M. Merzlikin, A.P. Vinogradov, A.V. Dorofeenko, M. Inoue, M. Levy, A.B. Granovsky, Physica B 394, 277 (2007) CrossRefGoogle Scholar
  37. 37.
    N. Malkova, C.Z. Ning, Phys. Rev. B 76, 045305 (2007) CrossRefGoogle Scholar
  38. 38.
    M. Kaliteevskii, I. Iorsh, S. Brand, R.A. Abram, J.M. Chamberlain, A.V. Kavokin, I.A. Shelykh, Phys. Rev. B 76, 165415 (2007) CrossRefGoogle Scholar
  39. 39.
    T. Goto, A.V. Dorofeenko, A.M. Merzlikin, A.V. Baryshev, A.P. Vinogradov, M. Inoue, A.A. Lisyansky, A.B. Granovsky, Phys. Rev. Lett. 101, 113902 (2008) CrossRefGoogle Scholar
  40. 40.
    T. Goto, A.V. Baryshev, M. Inoue, A.V. Dorofeenko, A.M. Merzlikin, A.P. Vinogradov, A.A. Lisyansky, A.B. Granovsky, Phys. Rev. B 79, 125103 (2009) CrossRefGoogle Scholar
  41. 41.
    I.Y. Tamm, Phys. Z. Sowjetunion 1, 733 (1932) Google Scholar
  42. 42.
    M.E. Sasin, R.P. Seisyan, M.A. Kaliteevski, S. Brand, R.A. Abram, J.M. Chamberlain, A.Yu. Egorov, A.P. Vasil’ev, V.S. Mikhrin, A.V. Kavokin, Appl. Phys. Lett. 92, 251112 (2008) CrossRefGoogle Scholar
  43. 43.
    C.R. Rosberg, D.N. Neshev, Y.V. Kartashov, R.A. Vicencio, W. Krolikowski, M.I. Molina, A. Mitchell, V.A. Vysloukh, L. Torner, Yu.S. Kivshar, Opt. Photonics News 17, 29 (2006) Google Scholar
  44. 44.
    M. Abe, T. Suwa, J. Appl. Phys. 97, 10M514 (2005) CrossRefGoogle Scholar
  45. 45.
    S. Tomita, T. Kato, S. Tsunashima, S. Iwata, M. Fujii, S. Hayashi, Phys. Rev. Lett. 96, 167402 (2006) CrossRefGoogle Scholar
  46. 46.
    R. Fujikawa, A.V. Baryshev, J. Kim, H. Uchida, M. Inoue, J. Appl. Phys. 103, 07D301 (2008) CrossRefGoogle Scholar
  47. 47.
    Y. Mizutani, H. Uchida, Y. Masuda, A.V. Baryshev, M. Inoue, J. Magn. Soc. Jpn. 33, 481 (2009) CrossRefGoogle Scholar
  48. 48.
    H. Feil, C. Haas, Phys. Rev. Lett. 58, 65 (1987) CrossRefGoogle Scholar
  49. 49.
    V.E. Kochergin, A.Yu. Toporov, M. Valeiko, JETP Lett. 68, 400 (1998) CrossRefGoogle Scholar
  50. 50.
    V.I. Belotelov, L.L. Doskolovich, A.K. Zvezdin, Phys. Rev. Lett. 98, 077401 (2007) CrossRefGoogle Scholar
  51. 51.
    A.B. Khanikaev, A.V. Baryshev, A.A. Fedyanin, A.B. Granovsky, M. Inoue, Opt. Express 15, 6612 (2007) CrossRefGoogle Scholar
  52. 52.
    B. Sepúlveda, J.B. González-Díaz, A. García-Martín, L.M. Lechuga, G. Armelles, Phys. Rev. Lett. 104, 147401 (2010) CrossRefGoogle Scholar
  53. 53.
    A.V. Baryshev, K. Kawasaki, P.B. Lim, M. Inoue, Phys. Rev. B 85, 205130 (2012) CrossRefGoogle Scholar
  54. 54.
    M. Piliarik, J. Homola, Opt. Express 17, 16506 (2009) CrossRefGoogle Scholar
  55. 55.
    U. Fano, Phys. Rev. 124, 1866 (1961) CrossRefGoogle Scholar
  56. 56.
    Z. Wan, S. Fan, Appl. Phys. B 81, 369 (2005) CrossRefGoogle Scholar
  57. 57.
    K. Yayoi, K. Tobinaga, Y. Kaneko, A.V. Baryshev, M. Inoue, J. Appl. Phys. 109, 07B750 (2011) CrossRefGoogle Scholar
  58. 58.
    M.E. Dokukin, A.V. Baryshev, A.B. Khanikaev, M. Inoue, Opt. Express 17, 9063 (2009) CrossRefGoogle Scholar
  59. 59.
    S.M. Baek, M.E. Dokukin, K. Yayoi, J. Kim, H. Uchida, A.V. Baryshev, M. Inoue, J. Magn. Soc. Jpn. 33(2), 489–492 (2009) CrossRefGoogle Scholar
  60. 60.
    S.M. Baek, M. Dokukin, K. Yayoi, A. Baryshev, M. Inoue, J. Appl. Phys. 107, 09A923 (2010) CrossRefGoogle Scholar
  61. 61.
    S.M. Baek, A.V. Baryshev, M. Inoue, Appl. Phys. Lett. 98, 101111 (2011) CrossRefGoogle Scholar
  62. 62.
    S.M. Baek, A.V. Baryshev, M. Inoue, J. Appl. Phys. 109, 07B701 (2011) CrossRefGoogle Scholar
  63. 63.
    S. Kawakami, T. Kawashima, T. Sato, Appl. Phys. Lett. 74, 463 (1999) CrossRefGoogle Scholar
  64. 64.
    M. Renninger, Z. Phys. 106, 141 (1937) CrossRefGoogle Scholar
  65. 65.
    J. Galloro, M. Ginzburg, H. Miguez, S.M. Yang, N. Coombs, A. Safa-Sefat, J.E. Greedan, I. Manners, G.A. Ozin, Adv. Funct. Mater. 12, 382–388 (2002) CrossRefGoogle Scholar
  66. 66.
    C. Koerdt, G.L.J.A. Rikken, E.P. Petrov, Appl. Phys. Lett. 82, 1538–1540 (2003) CrossRefGoogle Scholar
  67. 67.
    A.V. Baryshev, T. Kodama, K. Nishimura, H. Uchida, M. Inoue, J. Appl. Phys. 95, 7336 (2004) CrossRefGoogle Scholar
  68. 68.
    A.V. Baryshev, T. Kodama, K. Nishimura, H. Uchida, M. Inoue, IEEE Trans. Magn. 40, 2829 (2004) CrossRefGoogle Scholar
  69. 69.
    R. Fujikawa, A.V. Baryshev, A.B. Khanikaev, H. Uchida, P.B. Lim, M. Inoue, IEEE Trans. Magn. 42, 307 (2006) CrossRefGoogle Scholar
  70. 70.
    A.V. Baryshev, A.B. Khanikaev, R. Fujikawa, H. Uchida, M. Inoue, Phys. Rev. B 76, 014305 (2007) CrossRefGoogle Scholar
  71. 71.
    A.V. Baryshev, A.B. Khanikaev, H. Uchida, M. Inoue, M.F. Limonov, Phys. Rev. B 73, 033103 (2006) CrossRefGoogle Scholar
  72. 72.
    A.V. Baryshev, M.E. Dokukin, A.M. Merzlikin, M. Inoue, J. Exp. Theor. Phys. 112, 361–369 (2011) CrossRefGoogle Scholar
  73. 73.
    H. Kato, T. Matsushita, A. Takayama, M. Egawa, K. Nishimura, M. Inoue, IEEE Trans. Magn. 38, 3246–3248 (2002) CrossRefGoogle Scholar
  74. 74.
    Z. Wu, M. Levy, V.J. Fratello, A.M. Merzlikin, Appl. Phys. Lett. 96, 051125 (2010) CrossRefGoogle Scholar
  75. 75.
    R. Fujikawa, K. Tanizaki, A.V. Baryshev, P.B. Lim, K.H. Shin, H. Uchida, M. Inoue, in Proceedings of SPIE, vol. 6369 (2006), p. 63690G Google Scholar
  76. 76.
    N.K. Dissanayake, M. Levy, A.A. Jalali, V.J. Fratello, Appl. Phys. Lett. 96, 181105 (2010) CrossRefGoogle Scholar
  77. 77.
    H.J. Park, J.K. Cho, K. Nishimura, M. Inoue, Jpn. J. Appl. Phys. 41, 1813–1816 (2002) CrossRefGoogle Scholar
  78. 78.
    M. Inoue, L. Hesselink, J. Magn. Soc. Jpn. 27, 635–646 (2003) Google Scholar
  79. 79.
    H. Horimai, J. Li, in Proceedings of SPIE, vol. 5380 (2004), p. 297 Google Scholar
  80. 80.
    A.M. Grishin, S.I. Khartsev, Appl. Phys. Lett. 95, 102503 (2009) CrossRefGoogle Scholar
  81. 81.
    A.M. Grishin, S.I. Khartsev, J. Phys., Conf. Ser. 352, 012007 (2012) CrossRefGoogle Scholar
  82. 82.
    J. Cho, S. Santhanam, T. Le, K. Mountfield, D.N. Lambeth, D. Stancil, W.E. Ross, J. Lucas, J. Appl. Phys. 76, 1910 (1994) CrossRefGoogle Scholar
  83. 83.
    J.-P. Krumme, H. Heitmann, D. Mateika, K. Witter, J. Appl. Phys. 48, 366 (1977) CrossRefGoogle Scholar
  84. 84.
    M.V. Loginov, V.V. Randoshkin, Yu.N. Sazhin, V.P. Klin, B.P. Nam, A.G. Solov’ev, Sov. Phys. Tech. Phys. 36, 493 (1991) Google Scholar
  85. 85.
    J.-H. Park, H. Takagi, K. Nishimura, H. Uchida, M. Inoue, J.-H. Park, J.-K. Cho, J. Appl. Phys. 93, 8525–8527 (2003) CrossRefGoogle Scholar
  86. 86.
    H. Takagi, A. Tsuzuki, K. Iwasaki, Y. Suzuki, T. Imura, H. Umezawa, H. Uchida, K.H. Shin, M. Inoue, J. Magn. Soc. Jpn. 30, 581–583 (2006) CrossRefGoogle Scholar
  87. 87.
    K. Takahashi, H. Takagi, K.H. Shin, H. Uchida, P.B. Lim, M. Inoue, J. Appl. Phys. 101, 09C523 (2007) CrossRefGoogle Scholar
  88. 88.
    S. Mito, J. Kim, K.H. Chung, K. Yamada, T. Kato, H. Takagi, P.B. Lim, M. Inoue, J. Appl. Phys. 107, 09A948 (2010) CrossRefGoogle Scholar
  89. 89.
    T. Goto, H. Sato, H. Takagi, A.V. Baryshev, M. Inoue, J. Appl. Phys. 109, 07B756 (2011) CrossRefGoogle Scholar
  90. 90.
    S. Mito, H. Sakurai, H. Takagi, A.V. Baryshev, M. Inoue, J. Appl. Phys. 111, 07A519 (2012) CrossRefGoogle Scholar
  91. 91.
    T. Baba, M. Nakamura, IEEE J. Quantum Electron. 38, 909 (2002) CrossRefGoogle Scholar
  92. 92.
    H. Kosaka, T. Kawashima, A. Tomita, M. Notomi, T. Tamamura, T. Sato, S. Kawakami, Appl. Phys. Lett. 74, 1370 (1999) CrossRefGoogle Scholar
  93. 93.
    S. Baek, A.V. Baryshev, M. Inoue, J. Appl. Phys. 111, 07E508 (2012) CrossRefGoogle Scholar
  94. 94.
    T.V. Murzina, E.M. Kim, R.V. Kapra, I.V. Moshnina, O.A. Aktsipetrov, D.A. Kurdyukov, S.F. Kaplan, V.G. Golubev, M.A. Bader, G. Marowsky, Appl. Phys. Lett. 88, 022501 (2006) CrossRefGoogle Scholar
  95. 95.
    J. Sabataityte, I. Simkiene, G.-J. Babonas, A. Reza, M. Baran, R. Szymczak, R. Vaisnoras, L. Rasteniene, V. Golubev, D. Kurdyukov, Mater. Sci. Eng. C 27, 985–989 (2007) CrossRefGoogle Scholar
  96. 96.
    S.A. Grudinkin, S.F. Kaplan, N.F. Kartenko, D.A. Kurdyukov, V.G. Golubev, J. Phys. Chem. C 112, 17855–17861 (2008) CrossRefGoogle Scholar
  97. 97.
    J.F. Galisteo-Lopez, F. López-Tejeira, S. Rubio, C. López, J. Sánchez-Dehesa, Appl. Phys. Lett. 82, 4068 (2003) CrossRefGoogle Scholar
  98. 98.
    M.V. Rybin, A.V. Baryshev, M. Inoue, A.A. Kaplyanskii, V.A. Kosobukin, M.F. Limonov, A.K. Samusev, A.V. Sel’kin, Photonics Nanostruct. 4, 146–154 (2006) CrossRefGoogle Scholar
  99. 99.
    S.G. Romanov, Phys. Solid State 52, 844–854 (2010) CrossRefGoogle Scholar
  100. 100.
    H.J. Coufal, D. Psaltis, G.T. Sincerbox, Holographic Data Storage. Springer Series in Optical Sciences (Springer, Berlin, 2000) CrossRefGoogle Scholar
  101. 101.
    S. Mito, J. Kim, K. Chung, H. Takagi, M. Inoue, IEICE Trans. Electron. 92-C, 1487 (2009) CrossRefGoogle Scholar
  102. 102.
    M. Gaidi, A. Amassian, M. Chaker, M. Kulishov, L. Martinu, Appl. Surf. Sci. 226, 347 (2004) CrossRefGoogle Scholar
  103. 103.
    S. Mito, H. Takagi, P.B. Lim, A.V. Baryshev, M. Inoue, J. Appl. Phys. 109, 07E313 (2011) CrossRefGoogle Scholar
  104. 104.
    S. Mito, J. Kim, K.H. Chung, K. Yamada, T. Kato, H. Takagi, P.B. Lim, M. Inoue, J. Appl. Phys. 107, 09A948 (2010) CrossRefGoogle Scholar
  105. 105.
    M. Inoue, A. Khanikaev, A. Baryshev, in Nanoscale Magnetic Materials and Applications, ed. by J.P. Liu, E. Fullerton, O. Gutfleisch, D.J. Sellmyer (Springer, Berlin, 2009), pp. 627–660 CrossRefGoogle Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013

Authors and Affiliations

  1. 1.Department of Electrical and Electronic Information EngineeringToyohashi University of TechnologyToyohashiJapan
  2. 2.Electronics-Inspired Interdisciplinary Research InstituteToyohashi University of TechnologyToyohashiJapan
  3. 3.Ioffe Physical-Technical InstituteSt. PetersburgRussia

Personalised recommendations