（微电子学与固体电子学专业论文）基于磁光非互易效应的光波导器件研究.pdf

浙江人学硕十学位论文 摘要 随着光通信技术的迅速发展，不断完善的新一代光纤通信系统带动了产业需求的不断增长， 小型化、功能化、组件化是光通信器件发展的一种趋势，而基于集成光路的磁光波导器件具有 非互易的特点和低成本，小体积，小损耗，高机械稳定性等优势，对当今日益发展的光通信产 业等光信息处理领域具有十分重要的应用价值。 作为最基本的非互易器件磁光隔离器是当前用途最广、研究最多的一类非互易器件。 根据目前已报道的磁光波导隔离器，按其工作原理的不同主要可分为三种：( 1 ) 模式转换型， 这 类器件必须使用非互易和互易模式转换器，外加磁场的控制复杂，且需要t e t m 模式精确的相 位匹配，制作容差小：( 2 ) 非互易损耗型( n r l ) ，这类器件需要与m q w 和j 料结合，制作较复杂； ( 3 ) 非互易相移( n p s ) 型，这类器件无须精确的相位匹配和复杂的外加磁场控制，且波导结构设 计灵活，工艺制作简单，更具有实际应用价值。目前，基于n p s 型磁光器件的研究侧重于传统 器件的理论分析和1 m 模隔离器的实验，本论文的研究主要基于n p s 型的磁光波导器件的分析设 计和磁光波导的制作。 本论文首先对基于磁光非互易效应的波导偏振特性进行了研究，提出了一种高效的偏振无 关磁光波导结构及其应用。利用有限差分法分析可知：这种偏振无关磁光波导结构对t e 模和 t m 模可同时获得较大n p s ，约2 5 x 1 0 一m 一，可用于设计偏振无关光隔离器、光环形器等器 件。其次，提出了一种结构简单而新颖的m z i 型偏振无关磁光波导隔离器，这种波导隔离器巧 妙地利用了推挽的非互易效应，对t e 模和t m 模可同时获得约2 0 x 1 0 - 3 l a m _ 1 的n p s ，且易于 制作，实用性强。再次，还研究了磁光波导光栅的非互易滤波效应及其应用，利用 b e a m p r o p ( g r a t i n gm o d e ) 软件等效模拟磁光光栅的频谱特性，得到正反向传播时，中心波长 发生偏移0 8 r i m ，此特性可应用于光隔离器、光合束器件以及光分插复用器。 本论文还探索了采用溅射方法制作磁光波导的工艺，所采用的实验流程为：溅射一退火一 光刻一腐蚀一抛光一通光实验。通过比较不同实验条件下的磁光薄膜表面状态，选择较适当的 条件为：溅射气压为o 5 p a ，溅射功率为l o o w ，腐蚀液为h 2 0 h c l ( 3 5 5 ) = 1 1 。研制的样品已 观察到了明显的磁光平板波导现象。另外，本文还对采用键合制作磁光波导的实验方案进行了 讨论。 关键字：非互易特性偏振无关磁光波导光栅光隔离器集成光学 湃江入学颈+ 学位论文 a 嚣s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h ec o n s t a n t l yi m p r o v i n g o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ss y s t e mo ft h en e x tg e n e r a t i o nd r i v e st h eg r o w i n gn e e do ft h ei n d u s t r y s m a l l ，f u n c t i o n a l ，c o m p o n e n t - b a s e dd e v e l o p m e n t i sat r e n do ft h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nd e v i c e s ，a n d m a g n e t o - o p t i c a lw a v e g u i d e d e v i c e sb a s e do n i n t e g r a t e do p t i c s h a v et h ec h a r a c t e r i a i co f n o n r e c i p r o c i t ya sw e l la st h ea d v a n t a g eo fl o wc o s t ，s m a l ls i z e , s m a l ll o s s e sa n dh i g hm e c h a n i c a l s t a b i l i t y , w h i c hi so fg r e a ta p p l i c a t i o nv a l u et oo p t i c a li n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs y s t e m ss u c ha st o d a y s g r o w i n go p t i c a lc o m m u n i c a t i o n si n d u s t r y a so n eo ft h em o s tb a s i cn o n r e c i p r o c a ld e v i c e s - - - - - - - - - - - m a g n e t o - o p t i c a li s o l a t o ri sc u r r e n t l yt h em o s t w i d e l yu s e da n ds t u d i e dn o n - r e c i p r o c a ld e v i c e u n d e rt h ec u r r e n tm a g n e t o - o p t i c a lw a v e g u i d ei s o l a t o r s h a v eb e e nr e p o r t e d , a c c o r d i n gt ot h et h ed i f f e r e n tp r i n c i p l e s ，t h ei s o l a t o r sc a nb ed i v i d e di n t ot h r e e m a i nk i n d s ：( 1 ) m o d ec o n v e r s i o n , r e c i p r o c a la n dn o m e c i p r o c a lm o d ec o n v e r t e r sa r eb o t hn e e d e d ，t h e c o n t r o lo fe x t e r n a lm a g n e t i cf i e l di sc o m p l e x ，e x a c tm a t c h e dp h a s eb e t w e e nt em o d ea n dt mm o d ei s n e e d e d , a n dt h ep r o d u c t i o nt o l e r a n c e i s s m a l l ，t h e r e f o r e ，t h ed e v i c e sb a s e do nt e t mm o d e c o n v e r s i o nh a v en o td e m o n s t r a t e dt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fg o o dv a l u e ；国n o n r e c i p r o c a ll o s s ( n r l ) ，t h e s ed e v i c e sm u s tu s et h em a t e r i a lo fm q wa n di t i sd i f f i c u l tt or e a l i z e ；( 3 ) n o n r e c i p r o c a l p h a s es h i f t ( n p s ) ，e x a c tm a t c h e dp h a s ea n dc o m p l e xc o n t r o lo fe x t e r n a lm a g n e t i cf i e l da r en o t n e e d e df o rt h i sk i n do fd e v i c e s ，a n dw a v e g u i d es t r u c t u r e sh a v em a n yo t h e ra d v a n t a g e ss u c ha sf l e x i b l e d e s i g n ，s i m p l ep r o d u c t i o np r o c e s sa n dm o r ep r a c t i c a lv a l u e 。a tp r e s e n t , r e s e a r c ho nm a g n e t o - o p t i c a l d e v i c e sb a s e do nn p st y p ef o c u s e so nt h et r a d i t i o n a lt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h ee x p e r i m e n tr e s e a r c h o ft h ei s o l a t o ro ft m m o d e ，t h i sp a p e r sr e s e a r c hi sm a i n l ya b o u tt h ed e s i g no fs t r u c t u r e so fm a g n e t i c w a v e g u i d ed e v i c e sb a s e do nn o n r e c i p r o c a lp h a s es h i f ta n dt h ef a b r i c a t i o no f m a g n e t o o p i cw a v e g u i d e i nt h i sp a p e r , f i r s t l y ，t h e r ei sat h e o r e t i c a lr e s e a r c ha b o u tt h ep o l a r i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fo p t i c a l w a v e g u i d ed e v i c e sb a s e do nm a g n e t o o p t i cn o n r e c i p r o c a le f f e c t ah i g h l ye f f e c t i v ep o l a r i z a t i o n i n d e p e n d e n tm a g n e t o - o p t i c a lw a v e g u i d es t r u c t u r ea n di t sa p p l i c a t i o na r ep r o p o s e d w i t ht h eh e l po f t h em e t h o do ff i n i t ed i f f e r e n c e , t h et h e o r e t i c a la n a l y z ei n d i c a t e st h a tt h e s ep o l a r i z a t i o ni n d e p e n d e n t m a g n e t o o p t i c a lw a v e g u i d es t r u c t u r e sh a sab i g g i s hn p so fa b o u t2 5 x 1 0 3 i t m 一b o t hf o rt em o d e a n dt mm o d e ，t h e s es t r u c t u r e sc a nb eu s e dt od e s i g no p t i c a li s o l a t o r sa n dc i r c u l a t o r sa n ds oo n s e c o n d l y ，as i m p l ea n dn o v e ls t r u c t u r eo fp o l a r i z a t i o ni n d e p e n d e n tm a g n e t o o p t i c a lw a v e g u i d e 2 浙江人学硕十学位论文 i s o l a t o ro fm z i t y p ei sp r o p o s e d t h i sw a v e g u i d ei s o l a t o rh a san p so fa b o u t2 0 xl0 1 l a m 一1b o t hf o r t em o d ea n dt mm o d ew i t ht h ec l e v e ru s eo fap u s h p u l le f f e c to fn o n r e c i p r o c i t y ，a n dt h i si s o l a t o ri s e a s yt of a b r i c a t e t h i r d l y ，t h en o n r e c i p r o c a lf i l t e r i n ge f f e c ta n da p p l i c a t i o no ft h em a g n e t o o p t i c w a v e g u i d eg r a t i n g a r er e s e a r c h e d t h es p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c so ft h em a g n e t o o p t i cg r a t i n ga r e s i m u l a t e db yt h es o f t w a r eo fb e a m p r o p ( g r a t i n gm o d e ) ，t h ec e n t e r - w a v e l e n g t ho ft h ef o r w a r d n a n s m i t t e db e a mh a sao f f s e to f o 8 r i mt ot h eb a c k w a r dt r a n s m i r e db e a m t l l i sf e a t u r ec a r lb eu s e di n o p t i c a li s o l a t o r , o p t i c a lc o m b i n e r ，a sw e l la so a d m t h i sm a g n e t o - o p t i c a lg r a t i n gs t r u c t u r ei ss i m p l e ， w h i c hc a nb ep r o d u c e de a s i l ya n di n t e g r a t e dw i t ho t h e ro p t o e l e e t r o n i cd e v i c e s t h i sp a p e ra l s oe x p l o r e dt h ep r o d u c t i o np r o c e s s e so fm a g n e t o - o p t i c a lw a v e g u i d e su s i n gt h em e t h o d o f s p u t t e r i n gt e c h n o l o g y , t h ep r o d u c t i o np r o c e s s e sw ec h o o s ei s ：s p u t t e r i n g - a n n e a l i n g l i t h o g r a p h y c o r r o s i o n p o l i s h i n g l i g h tp a s s i n ge x p e r i m e n t b yo b s e r v i n gt h es u r f a c e so ff i l m su n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n s ，w ec h o o s et h em o s ts u i t a b l ec o n d i t i o n ：s p u t t e r i n gp r e s s u r e0 5p a , s p u t t e r i n gp o w e r10 0 、 c o r r o s i o n l i q u i dh 2 0 h c i ( 3 5 5 ) = 1 1 w eh a v eo b s e r v e d am a r k e dp l a t ei m a g eo ft h e m a g n e t o o p t i c a lw a v e g u i d ei nt h el i g h tp a s s i n ge x p e r i m e n t i na d d i t i o n , t h eb o n d i n gp r o g r a m m ew h i c h i su s e dt of a b r i c a t em a g n e t o o p t i cw a v e g u i d ei sa l s od i s c u s s e d k e y w o r d s ：n o n r e c i p r o c a lc h a r a c t e r i s t i c ，p o l a r i z a t i o ni n d e p e n d e n t , m a g n e t o o p t i cw a v e g u i d eg r a t i n g , o p t i c a li s o l a t o r ，i n t e g r a t e do p t i c s 3 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 1 9 5 6 年，贝尔实验室的狄龙( d i l l o n ) 等在偏光显微镜下，应用透射光观察到了钇铁石 榴石( y l g 单晶材料中的磁畴结构【l 】。1 9 6 0 年第一台激光器问世，各种磁光效应以及磁 光材料和器件相继被发现，应用最为广泛的有磁光材料有稀土铁石榴石【2 】、掺b i 稀土铁石 榴石【3 】、掺c e 稀铁石穰石【4 】和磁光玻璃嘲等。进入2 0 擞纪8 0 年代，当采瓣半导体激 光器一激光二极管( l d ) 作光源的光纤通信开始实用化的时候，体材料磁光非互易器件 才逐步走逛实验，进入实用阶段，成为蘸溲产品。鞠蒋，磁党效应在光学信息处璎、光纤通 信、c a t v 系统和计算机技术，以及工业、国防、宇航和医学等技术领域有广泛的应用。目 裁，体材料磁光隔离器产品已经频谱系列化、标准化，磁光开关、调制器【6 】、隔离器【7 】、环 形器【8 】、旋光器、磁光存储器( 可擦除光盘) 【9 】和磁光传感器f l o 旭已上市。 随着光通信产业需求的不断增长和通信系统容量不断增大，宽带网臼益盛行，光纤正在 迸入各大城市，不久将很快普及到手家万户，前景广阔。与诧同时，集成光子技术的发展为 解决通信系统规模的进一步扩大提供了一种可能的解决方案，光通信产业需求的不断增长为 集成光子技术的发展提供了潦动力，焉磁光波导器徉是集成光路孛菲常重要酶一类器件。 1 9 7 2 年磁光波导诞生后。磁光波导理论与实验获得了相当的发展，如今，新的磁光效 应及其应用【l l 】以及纳米技术岛器件躲诞生 1 2 】已经被人们所认识，超导技术的发展使得强 磁场的获得不再困难，这些都为磁光波导器件的发展创造了条件，磁光波导型器件具有成本 低，体积小，损耗小，机械稳定性高且能与其他波导器件兼容等优点，使锝近年来基于非互 易特性光波导磁光器件成为研究热点所在，很多波导型磁光非互易器件( 如磁光隔离器，环 路器等) 相继被报道【1 3 】【1 4 】【1 5 】。目前，磁光波导器件及其成用仍处予实验室阶段，许多磁 先砉孝料、住覆和应淄还有待遴一步研究。 l 。2 磁光波导器件的产生与研究现状 2 0 世纪7 0 年代磁光波导器件诞生，波导型磁光器f ，l ：指根据磁光效虑利用磁光材料制作而 成的具有备种光信息功能的波导型器件。7 0 年代中期，墨本、美国、英国、德国和法国等图 开始研制磁光器件，此后开始了大量有关磁光波导器件的理论研究。随着人们在激光、光电 子学和光纤技术领域研究的不断进步，薪一代光纤遂信系统的不断完蒜，奎型纯、功能他、 实用化是光通信元f ，f ：发展的必然趋势。与此同时，随着集成光学的不断发展，波导型磁光器 件的优点遽合了光透信器件懿发震方囱。舅前，波导型磁炎器件主要包括磁光隔离器【1 6 】， 第一章绪论 磁光环形器 1 7 】，磁光开关【1 8 】，磁光传感器 1 9 1 等磁光器件。波导型磁光器件是在研究磁光 材料和磁光效应的基础上根据实际需要发展起来的，具有强大的生命力和发展前途。 s 0 年代末，我国开始着手研究磁光零季料与器侔，侧重研究滋光材料，此后研究进展穰快， 经过2 0 多年的发展，我国也有一些从事磁光器件研制的企业，其中，研制体材料光隔离器的 企监以武汉邮电科学院为代表。鲡表l 、表2 所示，在隔离度，插入损耗方覆，我 | 、】与国外豹 先进水平相差无几，但在产品加工、封装工艺等方面与国外相比，仍有定差距。此外，国 内在集成磁光器件方藤迸以理论分橱为主，代表性魄高校为上海交通大学刘公强课题组 【2 0 1 ，以及成都电子科技大学 2 1 1 ，华中理工大学 2 2 1 ，中国科技大学【2 3 】和浙江大学1 2 4 等。 表3 以磁光波导隔离器环形器为例，说明国内外磁光波导器件研究领域3 0 多年来的发展 历程。 年玢謦塞撬入损耗隔离废 1 9 8 5美国 3 2 1 9 8 7 丑本 3 5 l 弼o 英匿 1 - 4 ) 53 5 年份攀梭糖入按耗隔离度 1 9 8 8 南京犬学 1 5 3 5 1 9 8 9 北哀邮电学院 3 6 1 9 9 l 骥域师藏学院 d 63 6 表l 阑磬体材料隔离器技术指标表2 国氏体材料隔离器技术指标 y e a fa u t h o r s t y p eg u i d i n g m a t e r i a l l s o l a t i 0 1 1 1c o m m e n t s 1 9 7 7c a s t e r a aa l w a v e g u i d ef a r a d a y i r o ng a r n e tl 铡b m o n o l i t h i c r o t a t o r i n t e g r a t i o n 1 9 8 1k i t s c h e | 蠢 w a v e g u i d ef a r a d a y i r o ng a m e v l i n b 0 3l 莰毽 l i n b 0 3 a s 鑫 r o t a t o rc o v e rl a y e r 1 9 8 8a n d o e t 玉 w a v e g u i d ef a r a d a y i r o ng a r n e t1 3 d bm o n o l i t h i c r o t a t o r i n t e g r a t i o n 1 9 9 6 l e c y e t a lw a v e g u i d ef a r a d a y i r o ng a r n e t 2 9 d b i n t e g r a t e d r o t a t o rt h i n f i l m 1 9 9 6 s u g i m o t o 纠a lw a v e g u i d ef a r a d a y i r o ng a r n e t3 l d bs i l i c ap l a f f o r l l q r o t a t o r 1 9 9 8s h i n t a k u e t a lt mt ot ec o n v e r s i o ni r o ng a r n e t2 4 ( i bm o n o l i t h i c i n t e g r a t i o n 2 0 0 0 f u j i t a e t a l n p si r o ng a r n e t1 9 d b m o n o l i t h i c i n t e g r a t i o n 2 0 0 0y o k o i e t a ln p si n p i r o ng a r n e t5 d b c e ：y i ga s a c o v e gl a y e r 2 第一章绪论 2 0 0 0y o k o i e t a i n p sl n p ，g a l n a s p ，y i g4 9 d b c e ：y i ga s a c o v e rl a y e r 2 0 0 4y o k o i e t a ln p sh f 【 2 ，c e ：y i g i n o g 9 。9 d bc e ：y l ga s 鑫 w a v e g i d e 2 0 0 sn p s s i 0 2 s i c e ：y i g 2 1 d b c e ：y i ga s 鑫 y u y as h o j i 。e l 。a l c o v e rl a y e r 表3 磁光波导党隔离器环形器的发展 磁光波导器件晶种繁多，包括磁光调制器，磁光环形器，磁光隔离器，磁光开关，磁 光旋转器，磁光存储器，磁光传感器等，其中研究最广泛的、用途最大的是磁光波导隔离器。 1 2 1 磁光波导隔离器 磁光隔离器又称光单向器，是一种光非互易传输无源器件，其特征在于：沿正向传输方 向具有较低插入损耗，面对反向传输光有很大衰减作用。光隔离器在当今日益发展的光通信 系统和器件中具有十分重要的作用。它可以阻止从光纤和光路各光学元件的端面产生的反射 光反馈进入激光器，防止反射光进入谐振腔造成激光器性能恶化；在掺饵光纤放大器( e d f a ) 中也必须簧有光隔离器以防止反射光弓l 起增益交纯及有源区的自激。磁光渡导隔离器属于集 成光学器件，它省去了块状单晶的后加工工序，适合大批量生产，器件成本也大幅度下降。 因此，在9 睥代岳，波导型隔离器备受关注。 已报道的磁光波导隔离器根据原理主要有以下几类：( 1 ) 模式转换型 2 5 】。1 9 9 8 年 t s h i n t a k u 等人提出了一类利用模式转换实现的隔离嚣：正向传输时，t m 模壹接通过波导； 反向传输时，t m 模转化为1 i 翠编射模而截止。这种类型的隔离器需要t e t m 模式精确的相位 匹配，制作容差小；( 2 ) 非互易损耗型( n r l ) 【2 6 】。非互易损耗理论熄2 0 世纪9 0 年代末由 t a k e n a k a 和n a k a n o 提出来的，其原理是甑于磁光效应的菲互易性，光束j e 向传输与反向传输 时的增益与损耗不同，适当注入电流可使光在正向传输时通过而在反向时被吸收，从而实现 菲互易损耗功麓。这类隔离器辩要与m q w 材料结含，割俘复杂；( 玲j 摹至易褶移型科p 固【2 7 l 。 n b a h l m a n n 等人提出基于n p s 的m a z h z e h n d e 汗涉器( 心i ) 。选择合适的m z i 两臂波导长度， 使磁光效应产生的n p s 失万趁，同时互荔楣移差也为霈趁。爨此歪自传输的光在出分支处的 总相移为零，两光干涉相长，而反向传输的光在出射分支处的总相移为万，两光干涉相消， n p s 型隔离器包括t e 模、t m 模和偏振无关型。这类器件无须精确的相位匹配和复杂的外加 磁场控制，且波导结构设计灵活，下艺制作简单，更具有实际应用价值。 3 第一章绪论 1 2 1 1 模式转换型 f i g 1 磁光波导结构与乡 加磁场 根据法拉第效应，当磁光材料处于与光传播方向一致的外加磁场中时，介质常量张量艿 可班表示为： 占= 帷圣 非对角元的万值与y i g 薄膜的法拉第旋转系数以有以下关系万= 2 n p f k o 。其中，n 为薄膜的折射率，繇为光在囊空中的波数。改变光的传播方向或者改变外加磁场方向，菲 对角元的符号将随之改变。艿的作用是耦合电磁场模式在z 轴和y 轴的分量。这将导致 t e t m 模之闫豹模式转换，或是t m 摸转交梵高除模和辐射模等等。其工作蒙瑗为：当光 正向传播时，t m 模式不发生任何模式转换；而反向传播时，则t m 模将转变为t e 模。t e f m 模的完全转化，需要t e 模与t m 模之闻的精确憋模式匹配，使得两者闻的传攒常数之差 = 一屏m 尽可能小【2 8 】【2 9 】【3 0 】f 3l 】。 利用模式耦合原理实现波导型光隔离器是最警提出的一类方案。这类隔离器通常都只工 作在单一模式下( t e 模或t m 模) ，这里只讨论一种主要的模式耩合结构。 薄貘 x 方离 f i g 2 模式糕会型隔离器绩构示意图 p 7 “。j 晚远 t o r t 黼鼬 k l ，) ，i 1 3 f r e ) 垂：参站f f i g 3 模式耦合型隔离器原理示意图 t 。s h i n t a k u 等提出的一类铡刈模式转换实现的隔离器【1 7 】如图2 所示，：磁化方向与光传 4 输方向不一致，波导铍制作成单模波导t lj 二止向t m 模的传输。由于法拉第效应七有：肛q 易 特性，通过渊整波导的结构参数，根据模耦合理论，可实现止向传输的t m 模无变化通过波 导，但反向传输的t m 模冈被转化为t e 辐射模而截i 卜，从而达剑j ，隔离反向光的功能。 s h i n t a k u 制作的隔离器采h ：| 肋波导结构，隔离度达至- i 2 7 d b ，如图4 所示。 1 0 m - - - - - - 叫 f i g 4 通光实验( a ) 正向光；( b ) 反向光 另一种结构 3 2 】也是在单模脊型波导前提下，正向传播的t m 基模不进行t e 厂r m 模式的 转换，而反向的t m 基模则被转换成t e 模的高阶模，从而从单模波导中泄漏出去，如图5 所示。 1 2 1 2 非互易损耗型 p f r e m o d e ) d ( t mm o d e ) ( a ) ( b )塑 f i g 5 通光实验( a ) 止向光；( b ) 反向光 1 f 互易损耗理论足2 0 世纪9 0 年代末由t a k e n a k a 和n a k a n o 提 i5 米的 3 3 3 4 】。 第一章绪论 赫 锚 嗣 鍪 ( b ) f i g 6 ( a ) 非互易损耗型隔离器结构图； ( b ) 非互易损耗原理图 如图6 所示，非互易损耗的原理是用横向磁化的铁磁薄膜作为包层，由丁磁光效应的非 互易性，t m 模正向传输与反向传输时的增益与损耗不同，适当注入电流可使光在一个传输 方向透射而在相反方向上被吸收，从而实现非互易损耗功能。 f i g 7 波导结构： 围硎删，一 w a v e l e n g t hi n t o ) 怕撕l e n g 协 n m l f i g 8 ( a ) 对t e 模的1 f 互易损耗： ( b ) 对t m 模的非互易损耗 如图7 ，8 所示，这种结构 3 5 ，在1 5 5 0 n m 波段，外加磁场0 1 t ，对t e 模，注入电流 j , j1 0 0 m a ，隔离度可丛1 47 d b m m ：对t m 模，注入电流为15 0 m a ，隔离度只有1 d b 。 6 一；击p】耍竹c妻ui 笫一章绪论 1 2 1 3 非互易相移型 f i g 9 磁光波导结构与外加磁场 当磁光材料处予与光传播方向垂直的外加磁场中时，介质常量张蘸g 可以表示为： 沪雕司 圆 奔电张量j # 对蕉元疹藕合电磁场在x 轴和z 轴上的分量。露焉不存在t e f f m 摸之闻的模式 转换。取而代之的是，t m 模在沿正向传播及反向传播时，其传播常数有所不同。正向传播 常数磊与反向传播常数孱的差 。 如果把过程a c 看成憋商通态，c = b 看成是交叉态，那耦合长度 l = 2 石群群) = 露露一群) = 石够2 一够。) ) 从公式可以看出，为了减小器 ，f ：尺寸l ，偶模和奇模的n p s 著露大。 1 3 第一章绪论 o c 。渤_ ，曩巩。导。 i i 毒莎?：。f t 骥矗j ? i 缎9 7 誓荔嚣o 善。奠0 囊雾 ，蕊弛。0 j 。i 藏| 帮 o j ，努4 一，7 # “ t 警聱。磊。戮? 。 ( a )( b ) f i g 。2 2 ( a ) 棼互易x 藕合器；国) 芷向和复惠工作示意蚕 最终襁合器可以工作为舾c b 一胁a 的工作流程，那就可以得到一个四端的环路 器。 3 m m i 型 圈2 3 给出了圈端环路器的功率黄输特性：若光扶a 输入则从b 辕出，若从b 输入则从c 输 出。这种行为可以利用四个单模波导接于多模波导的番输出端来实现。s 必须足够宽以避免 相邻输入输出波导之间的串扰，这一问题也限制了单模波导的宽度，结果需要处理许多对称 和菲对称的模式【5 7 】。 f i g 2 3 基于m m i 的环路器的平面图和实物圈 1 2 3 磁光波导传感器 利用材料的磁光效应可以做成各种各样的磁光传感器【5 8 】，以测量、传递或响应温度、 应力、磁场和电流等物理量。 以磁场( 电流) 传感器为例，其工作原理为：将一根单模光纤与块大磁致伸缩材料粘胶 在一+ 起，在光纤中传输的光波稽位为，在( 交交) 磁场作用下。磁致伸缩棒将沿轴向伸缩， 与磁致 枣缩棒粘胶在一起的光纤亦将起 串缩，由此弓| 起的光的相位变化为矽。透过测量 妒，即可知道作用于磁致伸缩棒上的磁场大小。如果这个磁场是由交流或直流电流产生 的则可知道电流的大小。 这类传感器与以往的传感器福眈有如f 优点：一是整个传感器投有羧头。大大减少了传 感器的插入损耗。提高了传感器的霹靠性。其次，传感器灵敏皮嚣常高。第三，传感器没有 绝缘 d 题。 1 4 第一章绪论 f i g 。2 4 磁光传感 磁光电流测试的工作原理如图2 4 所示。磁光介质放在高压导线附近，由光源发出的平面 偏振光隽| 到磁先奔质上，并翊介质鑫瑟的反射蘧反射圈来进入检测器，测得其偏振光的旋转 角。摄据磁光法拉第效废，偏振光的旋转角直接网外加磁场有关，焉这一磁场是由高压线的 电流所产生的，故旋转角度同这一电流成正比。因而，由检测的偏振光的磁光旋转，可以遥 感、无接触地测得高压线的电流。 1 3 磁光波导器件未来的发展方向 避年来，磁巍材料研究取褥了重大迸展，如基蔽光薄膜材料等的相继发现，为基予磁光 效应懿法拉第效应【5 翊、克尔效应 6 0 1 等集残光学型非互易器件鳇实现提供了材料方蘑的 保证。目前，国内外对磁光波导及器件的理论分析方面已经取褥相当成就，鳃决了与偏振无 关的相移波导分析( 6 1 】，采用在介质波导上键合磁性材料 6 2 1 或混合集成【6 3 】的方法获得复合 型磁光波导，并在g a a s 、g a l n a s p 、i n p 等化合物半导体材料 6 4 1 实现了光隔离器，以及利用 多模干涉效应【6 5 】的光波导器件的研究等。目前，磁光波导型器件研制已经在小型化、功能 化等方面有很大进展，今后在以下几个方向的研究会加强【6 6 】【6 7 】： ( 1 ) 与其他光波导器件集成： ( 2 ) ，工作波长适用子光纤通信波长； ( 3 ) 仅靠自身磁化所产生的磁场来实现所需功能； ( 4 ) 宽带工作特性； 5 ) 。宽滏特性； ( 6 ) 提出新的结构、新的原理。 1 5 第一章绪论 1 4 本论文主要研究内容与研究意义 本论文主要研究内容包括：高效的偏振无关磁光波导结构、一种基于m z i 型偏振无关 磁光波导隔离器、磁光光栅的1 e 互易特性与应用以及磁光波导的工艺制作流程： 1 。 高效的偏振无关磁光波导结构 根据磁光学和集成光波导理论，设计出一类结构简单而高效的偏振无关磁光波导结构， 萄应用予偏振无关隔离器与环形器孛。 2 一种基于m z i 型偏振无关磁光波导隔离器 根据非互易相移的产生机理，设计出种结构简单两薪颖的偏振无关磁光波导隔离器， 这种隔离器工艺上容易制作，实用性强。 3 磁光光栅的非重易特性及应用 根据波导光栅理论，结合磁性介质波导的传输特性，设计出一种磁光波导光橱结构，并 将其应用于光隔离器和光分捅复用器中。 4 磁光波导酶工艺嬲作流程 基于偏振无关磁光波导结构和磁光光栅结构非亘易特性的理论研究基础，进行非互易磁 光波导的工艺制作探索。 本论文的提纲大致如下： 第一章绪论概括介绍本论文的研究背景和主要研究内容； 第二章介绍各种主要的磁光材料和备种常见的磁光效应； 第三章介绍几种偏振无关磁光波导结构和隔离器； 第图章介绍磁光波导光栅的菲互易特性及其应用； 第五章介绍磁光波导的工艺制作流穰； 第六牵是对硕士麓闯酶学习工作的总结。 参考文献： 1 o r i g i na n du s e so f t h ef a r a d a yr o t a t i o ni nm a g n e t i cc r y s t a l s ) j 。e d i l l o n ，j a p p l p h y s ，v 0 1 3 9 ， n o 2 ，1 9 6 8 2 。y i g ；f ；榴石磁光薄膜材料豹最囊进展王巍兰中文姬洪王豪才e l e cc o m p & m a t e v 0 1 2 1 ，n o 62 0 0 2 3 ( ( b i g 磁光隔离器的研制丁含云盂晓雷肖效光出袤形女溯力然群学饲第9 卷第3 期1 9 9 4 年 4 ( ( c e ：y i g 4 i 榴秆薄膜制各条件对磁光性能的影响王巍兰中文张怀武千豪才应甥光学 1 6 笫一章绪论 第2 4 卷第2 期p p 3 4 - 3 62 0 0 3 年 5 光纤传感器用磁光玻璃的研究进展杨中民徐时清姜中宏功磁杉群与器斧学嬲 第9 卷第2 期2 0 0 3 年 5 磁光器件及其在光通信中的应用马昌贵磁艚材料发器缪，p p 3 5 ，2 0 0 1 年 7 。( a n a l y s i sa n dd e s i g no fs e m i l e a k y - t y p et h i n f i l mo p t i c a lw a v e g u i d ei s o l a t o r ) s y a m a m o t o , y o k a m u r a , t m a k i m o t o i e e e j q u a n t e l e c t r o n v 0 1 1 2 ，n o 1 2 ，p p 7 6 4 7 7 0 1 9 7 6 8 + w a v e g u i d ep o l a r i z a t i o n - i n d e p e n d e n to p t i c a lc i r c u l a t o r ) n 。s u g i m o t o ，t 。s h i n t a k u ，a t a t e ， 脚p h o t o n t e c h n o l l e t t ，v o l 1 l ，n o 3 ，p p 3 5 5 3 5 7 ，1 9 9 9 9 磁光存储多层膜系统的光学与热分耄斥方法郑玉祥巨晓华张荣君，短努与毫装放学撄， 第2 2 卷第l 期，2 0 0 3 年 l o 稀土铁石榴石磁光材料及其应用黄敏张守业赵渭忠，利槲群鹗：乙嫠，第1 4 卷， 第4 卷1 9 9 6 11 ( p h o t o m a g n e t i ca n n e a l ，an e wm a g n e t o o p t i ce f f e c t ，i ns i - d o p e dy t t r i u mi r o ng a r n e t ) r w t e a l e ，d w t e m p l e ，p h y s r e v l e t t , v o l 。1 9 ，p p 9 0 4 ，1 9 6 7 1 2 ( n a n o m a g n e t i cr o u t et ob i a s - m a g n e t f r e e ，o n c h i pf a r a d a yr o t a t o r s ) m i g u e lk v y z o p t s o c a m 。b ，v o l 。2 2 ，n o 。l ，p p 2 5 4 2 6 0 , 2 0 0 5 1 3 磁光学刘公强乐志强沈德芳等上海科学与技术出版衽2 0 0 1 1 4 ( a n a l y s i sa n dd e s i g no f s e m i l e a k y - t y p et h i n - f d mo p f i c a lw a v e g n i d ei