磁旋光玻璃平板及脊形波导的制备和特性研究

发布时间：2020-09-14 14:43

　　光隔离器只允许一个方向的光通过而隔离反方向光的传输,是光路系统中重要元器件之一。如今商用的光隔离器都是体型光隔离器,一般体型光隔离器存在体积较大的问题,不利于集成化。随着集成光路的发展,利于集成的波导型光隔离器的相关研究已越来越受到重视。光波导作为波导型光隔离中最核心的部件,可以将光波限制在微米量级范围内进行传输,大大的提高了光密度。光波导的性能决定了波导型光隔离器的性能,因此制备用于光隔离器的光波导一直是国内外学者研究热点。硼铝硅酸盐体系的磁旋光玻璃由于具有优良的光学、热稳定性质、较大的费尔德常数以及在可见和近红外光区域有较高的透过率,是制备磁光器件最基本的材料。本论文选用硼铝硅酸盐体系的磁旋光玻璃制备光波导。离子注入技术是一项发展了近60年的材料改性技术,已经在100多种材料上完成了光波导的制备。离子注入技术能控制注入离子的种类、能量和剂量,具备简单、灵活和精确度高等优点。然而离子注入磁旋光玻璃只能够制备在一个维度限制光传播的平面光波导结构。脊形光波导具有小的横截面积,而且能够在两个维度上限制光的传输,更有利于集成化。制备脊形光波导的方式有离子束刻蚀,飞秒激光刻写、精密金刚石切割、湿法刻蚀等。不同于其他技术,精密金刚石切割技术制备的脊形光波导侧壁比较光滑,光传输损耗较小,是一种新型制备工艺。本论文研究离子注入和精密金刚石切割技术在磁旋光玻璃上平面及脊形光波导的制备及相关特性,探讨了波导类型及形成机理,为磁旋光玻璃波导用于光隔离器提供了新的思路。主要工作内容如下:1、单能量氢离子注入磁旋光玻璃制备平面光波导利用单能量500 keV氢离子注入磁旋光玻璃制备平面光波导。在633 nm波长下对平面光波导进行光学性能测试,测量出波导模式有4个,是一个多模波导结构,测量损耗大小为3.56dB/cm。2、双能量氢离子注入磁旋光玻璃制备平面光波导利用500 keV和550 keV的氢离子注入磁旋光玻璃制备平面光波导。在可见(633 nm)和近红外(1539 nm)波长下对平面光波导进行了光学性能测试。测量结果表明随着波长的增大,传输模式减少,测量损耗大小为1.56 dB/cm。相比于单能量氢离子注入,双能量注入加宽了波导的“光学位垒”,减小了光传输损耗。3、MeV碳离子注入磁旋光玻璃制备平面光波导利用5.5 MeV和6.0 MeV的碳离子注入磁旋光玻璃制备平面光波导。在633 nm波长下进行了光学性能测试,在该波长下只存在一个传输模式,表明波导是单模波导,测量损耗大小为1.2 dB/cm。相比于多模波导结构,单模波导传输损耗大大降低。4、精密金刚石刀切割磁旋光玻璃制备脊形光波导利用Disco DAD3350型精密金刚石切割机对单能量氢离子注入制备的平面光波导进行切割处理,形成脊形波导结构。波导切割深度为30?m,脊宽为8?m,脊间隔为250?m。在633 nm和1060 nm波长下对脊形光波导进行模场测试,表明8?m宽的脊波导能够很好限制光的传输。在633 nm的传输波长下,测量脊波导的损耗为3.28 dB/cm。
【学位单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN252
【部分图文】：

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逆磁性玻璃费尔德常数一般较小，目前国内外研究的热点为掺 Tb3+离子的旋另外，不同玻璃基质对费尔德常数有很大影响。根据研究表明，不同玻璃体系费尔小到大依次为硅酸盐玻璃、氟磷酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、铝硼硅酸盐玻璃。虽然掺的铝硼硅酸盐玻璃的费尔德常数比晶体材料和磁性薄膜弱，但随着近些年玻璃制备的提高，费尔德常数的大小几乎达到了晶体材料的量级水平[23]。另外，其在光学均匀寸生长、可见和近红外区域具有高透过率等方面相对于其他磁光材料而言具有一定因此，其已经成为一种被广泛使用的磁光材料。隔离器是由起偏器、法拉第旋转器、检偏器和沿着光传播方向的外加磁场组成，如图 1.1 所示。磁光波导为法拉第旋转器的一种类型，可实现光隔离器的集成化，偏器和检偏器的连接部分，不仅可以实现光信号的传输，而且应用在光隔离中可以光信号，是光隔离器件的核心部分[24-25]。因此，制备出高性能的光波导关乎整个波离器的质量。

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图 1.2 在 GGG 晶体上制备 YIG 脊形波导尔实验室的 R. Wolfe 和 R. A. Lieberman 等人[30]在钆镓石榴石上生膜，厚度从上到下分别为 3.4 m、3.4 m 和 1.5 m。并采用硅离 0.5 m，宽度 8 m 的脊波导结构，脊形波导结构如图 1.2 所示 V. Parys 等人[31]在聚合物材料 InP 上制备了适用于光隔离器的波等人[32]在聚合物 InGaAsp/InP 上制备了适用于光隔离器的波导结隔离度达到了 14.7 dB（波长 1530 nm~1560 nm）。 Shih 等人[33]利用波长为 800 nm、脉宽为 60 fs、频率为 25 MHz 的能量为 10 nJ、扫描速度为 10 mm/s 的条件在磁旋光玻璃上刻写

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