【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部王俊研究員團(tuán)隊(duì)在YIG磁光陶瓷離子切片及1.55 μm近紅外和2.1 μm中紅外片上隔離器應(yīng)用方面取得進(jìn)展。相關(guān)成果以“Study on ion slicing of iron garnet magneto-optic materials for near and mid-infrared on-chip optical isolators”為題發(fā)表于Optics Express。
稀土摻雜鐵石榴石(RIG)以其卓越的磁光效應(yīng)備受關(guān)注。基于RIG的光隔離器已成為光通信和集成光子學(xué)領(lǐng)域的重要元件，能夠有效防止反射光進(jìn)入激光腔或光信號鏈路，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，但將其集成到光子集成芯片(PICs)中仍然面臨著材料兼容性、成本和生產(chǎn)規(guī)模等多重挑戰(zhàn)。目前，將鐵石榴石材料與硅進(jìn)行異質(zhì)集成的方案主要有脈沖激光沉積(PLD)、D2W鍵合以及新興的微轉(zhuǎn)印方案等，但實(shí)際實(shí)施受到加工設(shè)備精度和過程控制的苛刻要求制約，限制了其進(jìn)一步大規(guī)模應(yīng)用。
本研究中，研究團(tuán)隊(duì)利用離子切片技術(shù)，成功地驗(yàn)證了在硅基底上制備高光學(xué)品質(zhì)鐵石榴石磁光薄膜的可行性，并展示了其在片上光隔離器中的潛在應(yīng)用。研究團(tuán)隊(duì)采用釔鐵石榴石(YIG)晶體，摻鉍鐵石榴石(BIG)和新開發(fā)的YIG陶瓷作為基材，分別探究了115 keV能量和2E16劑量He+離子注入下的離子與缺陷分布，并通過起泡實(shí)驗(yàn)證明了YIG陶瓷與單晶材料通過離子切片技術(shù)實(shí)現(xiàn)百納米級薄膜制備的可行性。與單晶相比，YIG陶瓷具有生產(chǎn)成本更低、生長周期更短和具備大尺寸制備潛力等優(yōu)勢，更適合基于離子切片實(shí)現(xiàn)大面積磁光薄膜制備和異質(zhì)集成。
圖1. He離子注入后的BIG、YIG晶體和YIG陶瓷在不同溫度下退火的表面變化的光學(xué)顯微鏡圖像。
在1.55 μm近紅外通訊波段，YIG陶瓷展現(xiàn)出優(yōu)異的磁光性能。研究顯示，其法拉第旋轉(zhuǎn)角達(dá)到175°/cm，非互易相移(NRPS)為282.90 rad/m。基于這一材料特性，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于馬赫-曾德干涉儀(MZI)結(jié)構(gòu)的片上光隔離器。研究結(jié)果表明，該隔離器在1.55 μm波長下表現(xiàn)出插入損耗僅為2.78 dB，隔離帶寬達(dá)到83 nm。
此外，隨著光通信對更高帶寬需求的增長，中紅外波段(2.1 μm)也逐漸成為研究熱點(diǎn)。在這一波段，YIG陶瓷表現(xiàn)出顯著的性能優(yōu)勢。其法拉第旋轉(zhuǎn)角為114°/cm，雖然低于1.55 μm波段，但其光吸收顯著降低，且非互易相移(NRPS)仍然達(dá)到199.53 rad/m。基于此，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的片上光隔離器在2.1μm波段的插入損耗進(jìn)一步降低至僅0.35 dB，隔離帶寬則增加至84 nm。這些性能的提升得益于YIG陶瓷在中紅外波段極低的吸收系數(shù)(α = 0.053 cm?¹)及其磁光系數(shù)在色散關(guān)系中的穩(wěn)定性。
這項(xiàng)研究充分驗(yàn)證了YIG陶瓷在1.55 μm近紅外和2.1 μm片上光隔離器應(yīng)用中的可行性，以及通過離子切片技術(shù)實(shí)現(xiàn)大尺寸硅基磁光薄膜制備的重要價(jià)值，展現(xiàn)出YIG陶瓷和離子切片技術(shù)在中紅外通信和傳感領(lǐng)域應(yīng)用的巨大潛力。
圖2. NRPS 波導(dǎo)截面尺寸和Hx在1.55 μm(a)和2.1 μm(b)處的分布，以及仿真計(jì)算得到的隔離器在1.55 μm(c)和2.1 μm(d)波長下的傳輸特性。
相關(guān)工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和上海市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目的支持。
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