（光学专业论文）磁光多层膜隔离器的研究.pdf

摘要 光子晶体是一种介质排列周期性变化的人工微结构材料，自8 0 年代末以来，它 逐渐成为光学领域研究中的一个热门课题，这可能给未来信息化的世界带来翻天覆地 的变革。由于生产工艺的限制，高维度的光子晶体研究在较大程度上还停留于理论研 究的阶段，而一维光子晶体由于其结构简单，便于制作，在目前的工艺条件下具有比 较现实的意义。用磁光介质和电介质周期性或准周期性排列构成的磁光多层膜隔离器 就可看作为一种一维光子晶体，由于光子晶体中光的局域化效应，可使磁光介质产生 的磁光效应( 例如法拉第效应) 得到极大的增强，这样就可大大减小磁光器件的尺寸。 与传统的磁光隔离器相比，它通常只需几十个甚至几个微米，具有微型化器件的优势。 这符合集成光学器件小型化的要求，能够提高光学系统的集成度，可能在集成光学线 路、全光网络中的密集波分多路复用( d w d m ) 等领域具有潜在的应用价值。 矩阵在求解光学问题中具有非常重要的作用。本文在第二章分别针对各向同性和 各向异性介质的不同情况，从侧重于描述偏振光在各向异性介质中传播特性的角度， 介绍了可用于求解多层平板介质结构的一维传输矩阵方法( t m m ) 。紧接着，考虑到 磁光多层膜隔离器在实际应用中外加磁场具有不均匀性，需要处理二维的情况，在第 三章介绍了由p e n d r y 教授首先提出的用于计算光子晶体带隙的实空间方法，本文进一 步把其拓展到可处理各向异性介质时的情况。这种方法很容易转化成传输矩阵的处理 形式，可用于处理高维情况下电磁波在介质中传播的行为。 本文在第四章将t m m 方法具体用于磁光多层膜隔离器的设计，提出并论证了通 过在结构中引入合理的缺陷可以有效改善器件的频谱响应，指出当结构中的缺陷达到 一定数目时，不需要额外的反射层就可以构建反射型的磁光隔离器件，这对器件的设 计增加了灵活性。e f t , + 两种“三明治”的器件结构，在考虑了入射角度、介质层厚度、 介质介电常数对器件设计性能影响的基础上，揭示了磁光介质的厚度和主介电常数是 影响器件设计性能的关键性因素。 本文在最后一章从侧重介绍激光脉冲沉积( p l d ) 法的角度介绍了磁光多层膜的 实际制备，将理论与实践有机地结合起来。 a b s t r a c t p h o t o n i cc r y s t a l ( p c ) ，r e g u l a ra r r a y so f m a t e r i a l sw i t hd i f f e r e n tr e f r a c t i v ei n d i c e ss u c h a sd i e l e c t r i c ，s e m i c o n d u c t o ro rm e t a lm a t e r i a l s ，i sak i n do fn e wc o n c e p ta n dm a t e r i a l s t e m m e di n19 8 0 s p h o t o n i cc r y s t a l s ( p c s ) h a v ei n s p i r e das i g n i f i c a n ta m o u n to fi n t e r e s t r e c e n t l yd u et o t h ep o t e n t i a l r i e sf o rc o n t r o l l i n gt h ep r o p a g a t i o no fl i g h t ，i tm a y b em a k e s g r e a tc h a n g e s i nt h e c o m i n g i n f o r m a t i o nw o r l d s i n c et h e o r e t i c a l c o m p u t a t i o n a n d m a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e f o rh i g h d i m e n s i o n a lp c sa r ed i f f i c u l ta tp r e s e n td u et ot i m e c o n s u m i n g i nc a l c u l a t i o na n dc o m p l e x i t yo fh i g hp r e c i s et e c h n i q u en e e d e di nm a n u f a c t u r e ， t h er e s e a r c ho fl o w d i m e n s i o n a lp c s ，w h i c hh a v es i m p l es t r u c t u r e ，i sa ni m p o r t a n ta r e af o r b o t ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dm o s t a p p l i c a t i o n c b s e c o m p a r e dw i t hm a s s i v em a g n e t o - o p t i c a l ( m o ) c r y s t a l s ，t h eo n e d i m e n s i o n a lm o p c s ， w h i c ha r ec o m p o s e do fm oa n dd i e l e c t r i cf i l m sp e r i o d i c a l l yo rq u a s i p e r i o d i c a l l y ，h a v ea n o t a b l ee n h a n c e m e n ti nm oe f f e c t ss u c ha sf a r a d a ye f f e c t ，s ot h e ya r ev e r yu s e f u lf o r f a b r i c a t i n gm i c r o - s i z em o i s o l a t o r sw i t ho n l yt e n so fm i c r o n so ft h i c k n e s s b e c a u s ei tc a n i m p r o v et h ei n t e g r a t i v ed e g r e e o fs y s t e m ，t h i s t y p eo fi s o l a t o r sm a y b eh a v ep o t e n t i a l a p p l i c a t i o ni n s o m ea r e a ss u c ha s i n t e g r a t e do p t i c sa n dd w d m 仍e n s ew a v ed i v i s i o n m u l t i p l e x e r ) i na l l o p t i c a ln e t w o r k 、 m a t r i xi s w i d e l yu s e di ns o l v i n gm a n yo p t i c a li t e m s ao n e - d i m e n s i o n a lt r a n s f e r m a t r i x m e t h o d ( t m m ) ，s u i t a b l e f o r c o m p u t i n gt h ep r o p a g a t i o n o fp o l a r i z e d l i g h t i n a n i s o t r o p i cm e d i a ，i sd e s c r i b e di n d e t a i l i nc h a p t e rt w oo ft h i st h e s i s o nt o po fi t ，f o r d e a l i n gw i t ht h ea s y m r a e t r yo fo u t e ra p p l i e d s t a t i cm a g n e t i cf i e l do nm o m u l t i p l a y e rf i l m s i s o l a t o r , w ed e r i v a t eat w od i m e n s i o n a lt m m f r o mr e a l s p a c em e t h o df o rp h o t o n i cb a n d s t r u c t u r ec o m p u t a t i o n sg i v e db yp r o f e s s o rp e n d r yf i r s t l y ，a n dd e v e l o pi tt ot h ec a l c u l a t i o n o ft r a n s m i s s i o na n dr e f l e c t i o nc o e f f i c i e n t sf o ra n i s o t r o p i cm e d i a i nc h a p t e rf o r e , w eu s et m m 【。d e s i g nt h es t r u c t u r e so fm o m u l t i p i a y e rf i l m si s o l a t o r a t i e rd i s c u s s i n gm a n ys t r h c t u r e se m b e d d e dw i t hs u i t a b l em u l t i d e f e c t s ，w ef i n dt h a tt h e f r e q u e n c ys p e c t r aa r eb r o a d e n e dw i t hi n c r e a s i n gn u m b e r o f d e f e c t s ，a n dp r o p o s et h a ti ti s p o s s i b l et od e s i g nar e f l e c t i o n m o d em o i s o l a t o rw i t h o u te x t r ar e f l e c t e dl a y e r sw h e nt h e n u m b e ro fd e f e c t si s e n o u g h m o r e o v e r , b a s e do nt w ot y p e so fs a n d w i c hs t r u c t u r e ，w e d i s c u s st h ei n f l u e n c e ( f a c t o r si n c l u d i n gi n c i d e n t a n g l e ，f i l mt h i c k n e s s ，t h e e l e m e n t so f i d i e l e c t r i ct e l l s o l so fm a t e r i a l s ) o i ld e s i g n e dc a p a b i l i t y ，a n dr e v e a l t h a tt h ea c e u r a c vo f d i a g o n a le l e m e n t so ft h ed i e l e c t r i ct e n s o ro fm om e d i aa n dt h i c k n e s so fm o l a y e ra r et h e k e yf a c t o r si nd e c i d i n gt h ed e s i g n e dc a p a b i l i t y m a n yf i l mg r o w t ht e c h n o l o g i e sa r el i s t e d i nl a s t c h a p t e r t oc o m b i l l et h e o r yw i t h p r a c t i c e ，w ep r o p o s et of a b r i c a t et h em o m u l t i p l a y e rf i l m si s o l a t o ru s i n gp u l s e dl a s e r d e p o s i t i o nt e c h n o l o g y ( p l d ) - 1 1 i - 塑型堂垫查墨堂塑主堂焦垒兰蔓二苎壁垒 第一章绪论 在过去的半个多世纪里，信息产业的飞速发展对集成电子线路的微型化和高速性 能的追求在世界范围内极大地刺激了相关科研工作的进展。然而，电子器件由于受到 电子响应时间和量子效应的限制，日益成为光电信息传输与处理系统中的瓶颈。为了 达到更高的集成密度和更优异的系统性能，科学家们现在把目光投向了以光子而不是 电子作为信息的载体。 作为信息传输的裁体，光予在很多方面优于电子m ：光子在介质材料中的传播速 度要出电子在金属中快得多；电子的响应时问一般为1 0 3 秒，而光子器件可达1 0 。2 1 0 。1 5 秒；介质材料的带宽远远大于金属：光纤通讯系统的带宽一般在t h z 量级，而 电子系统( 比如电话) 的带宽只有几百个k h z ；而且，在通常情况下光子之间无相 互作用，因而具有并行处理的能力，同时也大大减少了能量损耗，避免了集成系统过 热的难题。 尽管这样的优越性使得全光线路有很大的商业发展前途，但在设计出一种类似于 电子线路中晶体管的多用途基本光学元件上的困难，严重阻碍了现阶段全光系统的发 展。而科学家们发现的一种被称为“光予晶体”的新型人工光学材料，因其具有的光子 能带、禁带及光局域等特有的性质使得它极有可能是通向全光集成线路的关键所在。 1 1 简介 1 8 4 5 年，法拉笫将一片玻璃置于一对磁极之间，发现沿外磁场方向的入射光经 玻璃透射后的光偏振面发生了旋转。这是历史上第一次发现的磁光效应，后来就被称 为法拉第效应( f a r a d a ye f f e c t ) 。受法拉第效应的启发，1 8 7 6 年又发现了光在物质表面 反射时光偏振面发生旋转的现象，即克尔效应( k e r re f f e c t ) 。1 8 9 6 年，塞曼在观察置 于磁场中的钠蒸气光谱时发现了塞曼效应( z e e m a ne f f e c t ) 。1 8 9 8 年，发现了与横向塞 曼效应有相似特性的佛赫特效应( v o i g te f f e c t ) 。接着，于1 9 0 7 年在做液体实验时又发 现了科顿一穆顿效应( c o t t o n m o u t o ne f f e c t ) 。之后，陆续发现了磁激发光散射等磁 光效应。2 0 世纪初，根据麦克斯韦电磁理论，以及洛伦兹和佛赫特等人的色散理论， 应用磁场中电子的经典动力学理论，已能很好地解释早期发现的一些磁光效应。量子 力学诞生以后，磁光效应的微观理论亦获得了一定的进展。但是，直至2 0 世纪5 0 年 代初，磁光效应还没有得到实质性的应用，许多磁光性质还无法用理论，特；q 是量子 主璺墼壁垫查叁堂墨主堂垡垒墨茎= 主堡鱼 理论来解释。目前，研究和应用最为广泛的磁光效应是法拉第效应和克尔效应。 1 9 5 6 年，贝尔实验室的狄龙( j e d i l l o n ，j l ) 等在偏光显微镜下，应用透射光观察 到了钇铁石榴石( y t t r i u mi r o ng a r n e t ，y i g ) 单晶材料中的磁畴( m a g n e t i cd o m a i n ) 结构， 从此揭开了磁光效应大量应用的序幕。特别是1 9 6 0 年第一台激光器问世以后，磁光 效应研究才走上了快速发展的道路，新的磁光材料( m a g n e t o o p t i cm a t e r i a l ) 和件以 及许多磁光性质和现象如雨后眷笋般地被发现或研制出来，磁光理论亦获得了相当大 的发展。应用最为广泛的磁光材料有稀土铁石榴石( r a r ee a r t h i r o n g a r n e t ) 、掺铋稀土 铁石榴石单晶和薄膜、稀土一过渡族金属( r a r ee a r t h t r a n s i t i o nm e t a l ，r e t m ) 合金薄膜 和磁光玻璃等。磁光器件有磁光偏转器、磁光开关和调制器、隔离器、环行器、显示 器、旋光器、磁强计、磁光盘存储器( 可擦除光盘) 和各类磁光传感器等，在光学信息 处理、光纤通信、c a t v 系统和计算机技术，以及在工业、国防、宇航和医学等领域 已经有了较为广泛的应用。未来在光计算和光雷达等尖端技术领域亦将有所应用。磁 光效应还可用来进行固定材料能谱研究、观察和分析材料磁结构等方面的基础研究 1 2 1 。 随着光纤通信、光学信息处理扣磁光记录( m a g n e t o o p t i c a lr e c o r d i n g ) 等技术的日 益发展，激光源的工作稳定性越来越显得至关重要。光反射会严重干扰漱光源的正常 输出，产生诸如强度涨落、频率漂移、调制带宽下降和噪声增强等不利影响，严重时 甚至会破坏激光器的正常工作。光学隔离器是一种非互易的光学元器件，可用于光通 信系统中的信号发射端、接收端以及系统中的光学中继部分，是现代光通信系统中不 可或缺的一个重要光学部件。光隔离器的作用就是隔离反向传输的干扰光对激光源的 的常用配置如图1 1 所示。 l n 回田l i 。囫 保持系统的工作稳定性。光隔离器在光路系统中 4 5 0 f rp 2 茸冈 图i 1 光隔离器光路系统配置示意图。l d ：发光光源；f l 、f 2 ：光纤；l 】：准直透 镜；l 2 ：聚焦透镜；p l 、p 2 ：偏振片，偏振方向相差4 5 0 ；4 5 。f r ：光隔 离器，b 为外加磁场；i m 、t 。、l “光路系统中的入射、透射和反射光 通常，光隔离器必须满足下列要求：( i ) 插入损耗低，一般要求l o l g 旦 2 0 d b ，如代表系统反射光强；( i v ) 温度系数小；( v ) 工作带宽宽； i 州 ( v i ) 结构紧凑、体积小。 光学隔离器在工业上已被批量生产，并在现代光通信系统中得到广泛应用。现在 工业上批量生产的光隔离器通常都由块状的磁光晶体制成，并与其它的如起偏器、半 波片、永磁铁等辅助性器件组合在一起，通常具有较大的尺寸和重量。处于发展中的 集成光学以及全光网络中密集波分多路复用( d e n s ew a v ed i v i s i o n m u l t i p l e x e r , d w d m ) 等系统要求其间的部件具有微型化的特点，以便于集成，而现 在被广泛使用的块状光隔离器显然不符合这种要求。未采光学集成线路对光隔离器提 出了微型化、插入损耗小、高的隔离度、外加磁场小等基本而具体的要求。出于这种 考虑，不少光学_ t - 作者都致力于研究符各这种需求的光隔离器。目前这方面的研究集 中于如何在波导中集成薄膜型的光学隔离器件，主要有三个研究方向：一是设计合理 的结构使得光隔离器便于集成，例如马赫曾德耳干涉仪( m a e h ，z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r ) 型的设计；二是从减小器件尺寸的角度出发，采用磁光效应尽量大、 吸收损耗尽量小( 或者说是磁光优值尽量高) 的材料( 例如 y 1 g ，b i ：y 1 g ，：y i g ，( b i ，l u ，n d ) ，( 忍，a ) ，。1 2 ，( l a ，g a ) ：y i g 等材料) 来制作光隔离器 件，由于掺稀土离子如b i 离子、c e 离子的y i g 材料具有极高的磁光优值，用它们 来制备薄膜型的先隔离器是其中的研究热点；三是探索实际制备这种微型化光隔离器 件的实验方法( 例如液相外延法、溅射法、激光脉冲沉积法) 3 - 1 2 。 新的突破往往来自于新妁思想，新的设计也往往来源于新的材料，要制备符合未 来集成光学线路需求的尺寸尽可能小的磁光隔离器件也不例外。1 9 8 7 年y a b l o n o v i t c h 和j o h n 分别在各自的研究中首先提出了周期性的电介质结构：y a b l o n o v i t c h 指出这种 周期性的介质结构能有效地抑制固体中电子的自发辐射，j o h n 则指出这种结构能使 得光子呈现出很强的“a n d e r s o n 局域”。在随后的几年里，科学家们逐步地完善了这 种周期性的电介质结构，即光子晶体( p h o t o n i c c r y s t a l s ) 或“光子带隙物质”( p h o t o n i c b a n d g a pm a t e r i a l s ) 的概念：光子晶体是一种天然或人为设计和制造、折射率呈周 期性( 其周期与工作波长处于同一尺度j 变化、具有光子能带和光予禁带、能影响材 料中光传播模式的介质材料、半导体材料或金属材料结构光子在这类材料中的行为 类似于电子在凝聚态物质中的行为：若光子能量和能带相容，则光子晶体呈“导通性”， 光子可以通过光子晶体传播出去；若光子能量和能带不相容，而与禁带相容，则光子 一 。 主鱼塑堂丝叁堂墼主堂焦垒墨茎二兰堕垒 晶体呈“绝缘性”，阻止光子透过晶体，光将全部被反射回去。 光子晶体按照折射率周期性交化的空问维度可以分为三类( 如图1 2 所示) ：一维 光子晶体，折射率仅在空间一维呈周期性排列，其它两维上均匀，光子禁带将出现在 该方向上；二维光子晶体，折射率在空间二维呈周期性排列，第三维上均匀，光予禁 带将出现在二维平面内各个方向上，并且可以部分实现三维光子晶体的某些特性：三 维光子晶体，折射率在空间三雏均呈周期性排列，光子禁带将出现在各个方向上。目 前，从计算的时间和空间需求以及实际制备工艺条件的角度来说，高维的光子晶体在 设计和实现上有很大的难度，所示比较有现实意义的研究集中在低维度的光子晶体 l 卜d2 一d3 - d 图1 21 d 、2 d 和3 d 光子晶体模型 如图1 3 所示，光子晶体中周期性的介电常数构成的周期性势场使得光子的行为 类似于电子在晶体周期性势场中的行为，其色散曲线将成带状结构，带与带之间就可 能出现类似于半导体禁带的“光子禁带”。如果只在一个方向具有周期性，光子禁带只 可能出现在这个方向上如果存在三维周期性，就有可能出现全方向的光子禁带，频 率处在禁带中的电磁波在任何方向都被禁止传播，称之为“完全光子带隙”，如图i 3 b 所示。光子晶体的这种特性具有极大的理论价值和潜在应用前景。 2 dp h o t ox t i ce r y s l a ls l a b 4 p a r t i a lb aj l d g a p 主鱼堕壁丛查叁鲎堕主堂垒垒叁整二主壁垒 3 dp h o t o n i cc r y s t a l 一器 墨o 7 ： 驾0 4 墓：! 止o 1 0 c o l n p | e t eb a n d g a p 图1 3 光子带隙结构( a ) 2 d ；( b ) 3 - d 在传统上，我们对光的操拉一般是基于全内反射( t o t a li n t e r n a lr e f l e c t i o n ，t i r l 机制，就是说一定条件下，高折射率物质中传播的光会在与低折射率物质交界面处发 生全反射。这种机制严重限制了光学元件微型化的程度，因为两种介质的交界面必须 相对于光波长来说是平滑的；而光子晶体则提供了一种完全不同的操控光的机制：光 子带隙一半导体材料中电子带隙的光学对应物。在光子晶体中，处在带隙频率区间内 的光在此晶体内部是禁止存在的，除非这个晶体存在缺陷周期性的局部缺失。缺 陷的出现导致在带隙中出现局域光子态，其形态和特征由缺陷的性质决定例如 ( 如图1 4 所示) 点缺陷可以作为一个光学微腔；线缺陷可以作为光波导。这种对光子 进行操控的能力给我们提供了控制光行为的新空间 1 3 1 5 1 ( i i ) 图1 4 ( i ) 点缺陷相当于一个光学微腔；( i i ) 线缺陷相当予一个波导。 一5 一 主璺塑堂垫主盎堂塑主堂垡堡叁茎二主堕垒 那么，能不能把光子晶体中由于缺陷态造成的局域化效应与经典的磁光效应结合 起来，例如设计一种一维磁光光子晶体，并在磁光介质处产生光的局域化效应，这样 由磁光余质产生的磁光效应就能增强，从而减小器件( 例如光隔离器) 的尺寸呢? 1 9 9 7 年m 1 n o u e 和t f u j i i 通过对大量结构的模拟，给出了肯定的答案。i n o u e 等人的研究 结果显示：和体材料的磁光晶体相比较，在多层膜磁光鬼子晶体中出现的法拉第旋转 效应有着显著的增强。该效应源于具有介电常数周期性排列的人工结构( 就是一维光 子晶体) 有很强的光局域性，这使磁光薄膜内部的场强可以得到几十倍乃至数百倍的 增强。好的设计就可以使器件内部由电磁波干涉形成的驻波的波峰正好落在磁光材料 处，从而得到很强的旋转效应。这样就可以利用磁光薄膜做成尺度仅有数十个微米磁 光隔离器，这种小尺度元件可以很方便集成到光学集成线路中，扩大了集成度，从而 降低整个光路系统的成本。 1 2 磁光多层膜隔离器的研究历史和现状【1 6 2 3 1 1 9 9 7 年，m i n o u e 和t f u j i i 等人在研究光子晶体的过程中，发现由磁光介质和 普通电介质周期性或准周期性排列构成的一维磁光光子晶体有显著增强的法拉第效 应。他们在随后对一系列介质排列顺序随机的类似结构进行数值模拟的过程中发现， 只有那些对称性比较好的结构才能够使磁光介质的磁光效应得到显著增强，这种增强 的磁光效应可能源于在这种多层膜结构中光波在各介质层之间不断反射干涉形成驻 波，那些对称性较好的一维磁光光予晶体能够较好地控制驻波的波峰恰好落于磁光介 质处，这样使磁光介质能够产生的磁光效应得到显著增强。针对这种现象，结合未来 光学集成线路的需要，他们提出可以根据这种特性来制作新型的磁光隔离器件，这种 磁光多层膜隔离器件能够大大减小器件的尺寸，减小插入损耗，随着工艺技术的发展， 将这种磁光多层膜隔离器集成中光学集成线路中能够提高系统的集成度，节约集成成 本。这种磁光多层膜隔离器与平面波导隔离器、光学环形器等一起成为光学集成隔离 器的潜在选择。 随后m 1 n o u e 和t f u j i i 等人主要研究了一种中间为磁光介质( b i ：y i g ) ，两边为普 通电介质被称为“三明治型”的结构。发现了几条规律：一是通过增加介质层的层数 可以有效增强磁光介质的法拉第效应，但吸收损耗也增大( 图1 5 ) ；二是在器件产生的 法拉第旋转角与光强的透过率变化趋势是相反的，法拉第旋转角的增大岿然导致光强 透过率的下降( 参考图1 6 ) ；三是如图1 6 所示，器件的频谱响应范围很窄，通常在中 心波长处不到一个纳米的范围内才能产生4 5 的旋转角和较高的光强透过率。接着他 6 一 们又发现，通过增加额外的反射层可以把透射型的磁光多层膜隔离器件制作成反射型 的器件，这种利用磁光克尔效应制作妁反射型器件的频谱响应要好于利用磁光法拉第 效应制作的透射型器件。其后不少研究人员发现通过在结构中引入合理的缺陷可以有 效增大器件的频谱响应范围，而s t e e l 等人则用耦合波的理论指出在磁光多层膜中随 着产生的旋转角增大，透过率的减小是不可避免的，在结构中的合理位置引入合适的 缺陷数目可以增加结构设计的自由度，从而可以改善器件的频谱响应。 零 、一 一 u 苫 皇 皇 曼 暑 芒 1 0 0 8 0 6 0 d 0 2 0 0 r e p e t i t i o nn u m b e r n r e p e t i t i o n n u m b e ri l t 图1 5 膜层层数与透过率及法拉第旋转角的关系 2 9 91 3 0 0 1 3 w a y c l e n g t ha n m 警 已 暑 嚣 亡 甚 i - 罡 w a v t l o 日窖墙 扣啦) 图1 6 透射型器件和反射型器件频谱响应对比图 在磁光介质材料的选取中，由于掺稀土离子的y i g 晶体具有巨磁 生，特别是 b i ：y i g 和c e ：y i g 在包括常用通信范围的近红外波段具备出邑的磁光优值，近些年 来受人们的普通青睐，是磁光材料近期研究和未来应用的一个热点。在磁光多层膜的 研究中，磁光介质也一般集中在这两种材料上。在磁光多层膜的实际制备上，h k a t o 和m 1 n o u e 等人用磁控射频溅射法制备了“三明治”型的结构，将理论结果与实验结 1 蠢口一葺。墨瞄一。h爵q4-i蓐函 嚣暑z蛩言墨墨2暑”譬 一邑篇“u_菩u盛 举v卜#-一le 主璺壁鲎垫主圭堂塑堂焦堡皇苎二主堡垒 一 0 0 莹8 0 嚣6 0 兰4 0 蓍2 0 卜 o 5 0 06 0 07 0 08 0 09 0 0 5 0 06 0 07 0 08 0 0 9 0 0 w a v e l e n g t h1 ( r i m ) w a v e l e n g t ha ( n m ) 图1 7 理论设计与实验测试数据对比图，结构：( t a 2 0 5 s i 0 2 ) 6 b i ：y i g “s i 0 2 t a 2 0 5 ) 6 果进行了对比，论证了在磁光多层膜结构中显著增强的磁光效应，如图1 7 所示。但 由于一般设计的多层膜结构膜层总数较多，比如四十层以上，在目前的制备工艺条件 下，要同时满足制备层数并口各膜层剞备厚度精确控制的双重要求还有不少难度，目前 在器件制备上还处于探索阶段。 1 3 论文的研究目的 在磁光多层膜隔离器研究历史和现状的基础上，本丈首先在理论上系统的给出可 用于求解偏振光在平板介质( 包括各向同性和各向异性介质) 中传播时的传输矩阵方 法，并在磁光多层膜隔离器结构的设计和数值模拟中具体应用这种方法。针对以往同 类器件研究的结果，论文将对结构性能进行数值模拟和优化设计，以期找到性能优异、 频谱响应范围有所提高、结构简单便于制备的器件结构，主要包括：考虑在结构中引 八合适的缺陷提高设计器件的频谱响应范围；对比透射型器件和反射型器件的性能参 数作为设计时的一个依据；模拟在制备及实际应用中可能遇到的各种现象( 比如光波 八射角度及膜层制备厚度) 对器件设计性能的影响，以期找到影响器件设计性能的关 键性因素，再反馈到器件的理论设计和膜层的实际制备中，不断提高器件设计性能参 数和制备后测试性能参数的吻合度：具体设计结构，进行器件制备的实验和测试，为 最终小样品试制打下基础。 同时，考虑到在磁光隔离器的实际应用中有外加磁场不均匀性的问题存在，文中 还根据p e n d r y 教授在9 0 年代初期提出的实空间传榆矩阵法( 频域有限差分算法) ，将 其作了进一步公式推导，使其能够适用于各向异性介质时的情况。 一8 一 磬p)k毒。互r_。-l i：一葛m1r 士璺型鲎垫查墨鲎塑主堂堡垒叁= ：茎二叁壁堡 参考文献 1 3 d j o a n n o p o n l o s ，p i e r r er v i b e n e u v e ，s b a n h u if a n ，p h o t o n i cc r y s t a l s ：p u l l i n gad e w t w i s to n l i g h t ，n a t u r e1 9 9 7 ，3 8 6 ：1 4 3 1 4 9 2 刘公强乐志强。沈德芳，磁光学，上艨；群技术毋膨在，2 0 0 1 ：1 - 2 3 e a u r a c h e r , h h w i r e ，an e wd e s i g n f o ra ni n t e g r a t e do p t i c a li s o l a t o r , o p t i c s c a r o m , 1 9 7 5 ， 1 3 ：4 3 5 4 3 8 4 y a s u y u k io k a m u r a ，t a k a y u k in e g a m i ，s a d a h i k oy a m a m o t o ，i n t e g r a t e do p t i c a li s o l a t o r a n d c i r c u l a t o ru s i n g n o n r e c i p r o c a l p h a s es h i f t e r s ：u p r o p o s a l ，a p p l o p t , 1 9 8 4 ，2 3 ：1 8 8 6 1 8 8 9 5 t o s h i h i r os h i n t a k n ，t a k e h i k ou n o ，m t r i ok o b a y a s h i ，m a g n e t o o p t i cc h a n n e lw a v e g u i d e si n c e s u b s t i t u t e dy t t r i u mi r o ng a r n e t , 上a p p l p h v s , 1 9 9 3 ，7 4 ：4 8 7 4 8 8 1 6 t o s b i h i r os b i n t a k u ，i n t e g r a t e do p t i c a li s o l a t o rb a s e do nn o n r e e i p r n c a | h i g h e r - o r d e rm o d e c o n v e r s i o n ，a p p l p h y s l e t t , 1 9 9 5 ，6 6 ：2 7 8 9 - 2 7 9 1 7 n s n g i m o t o ，h , t e r u i ，a t a l e ，y k a i o b ，y y a m a d a ，a s u g i t a ，a s h i b u k a w a ，y j n o u e ，ah y b r i d i n t e g r a t e dw a v e g a i d ei s o l a t o r o i las i l i c a - b a s e dp l a n n a rl i g h t w a v ec i r c u i t ，j l i g h t w a v e t e c h n o l , 1 9 9 6 ，1 4 ：2 5 3 7 - 2 5 4 6 8 m l e v y ，亿m o s g o o d ，j r ，h h e g d e ，f j c a d i e u ，r w o l f e ，v j f r a t e l l a ，i n t e g r a l e do p t i c a l i s o l a t o r sw i t hs p u t t e r - d e p o s i t e dt h i n f i l mm a g n e t s ，i e e ep h o t o n i c st e c h n o l o g yl e t t e r s ，1 9 9 6 ， 8 ：9 0 3 ，9 0 5 9 n b a h l m a n n ，m l o h m e y e r ，m w a l l e n h o r s t ，h d o t s c h ，p h e r t e l ，a ni m p r o v e dd e s i g n o fa n i n t e g r a t e do p t i c a li s o l a t n rb a s e da nu o b - r e c i p r o c a lm a c k - z e k r d e ri n t e r f e r o m e t r y ，o p t q u a n t u m e l e c t r o n ，1 9 8 ，3 0 ：3 2 3 3 3 4 1 0 o l e k s a n d rz h u r o m s k y y , m a n f r e dl o h m e y e gn o r b e r tb a h l m a n n ，a n a l y s i so fp o l a r i z a t i o n i n d e p e n d e n tm a e h - z e h n d e r - t 3 r p ei n t e g r a t e d o p t i c a l i s o l a t o r ，j l i g h t w a v e t e c h n o l ，1 9 9 9 ， 1 7 ：1 2 0 0 1 2 0 5 11 j f n j i l a 。m l e v y , r m ，o s g o n d ，j r ，l w i l k e n s ，h ，d o t s c h ，w a v e g n i d eo p t i c a li s o l a t o rb a s e do n l v l a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r , a p p l p h v s l e t 62 0 0 0 、7 6 ：2 1 5 8 2 1 6 0 1 2 j ，f u j i t a m l e v y , r m o s g a o d ，j l 二，l w i l k e n s ，h d o t s c h ，p o l a r i z a t i o n i n d e p e n d e n tw a v e g u i d e o p t i c a li s o l a t o rb a s e do nn o n r e c i p r o c a lp h a s es h i f t ，i e e e p h o t o n i e st e c h n o l o g yl e t t e r s , 2 0 0 0 ， 1 2 ：1 5 1 0 1 5 1 2 e y a b l o n o v i t e h ，i n h i b i t e ds p o n l a u e o o s e m i s s i o ni ns o l i d s t a t e p h y s i c s a n d e l e c t r o n i c s ， 9 士里亟堂塾主墨堂塑主堂丝垒皇苎= 主壁垒 p r h r e v l e t t 1 9 8 7 ，5 8 ：2 0 5 9 2 0 6 2 s j o h n ，s t r o n g l o c a l i z a t i o no f p h o t o n s i ne e r t a i ud l s o r d e r dd i e l e c t r i c s n p e r l a t t i c e s p h y s r e v l e t t 1 9 8 7 ，5 8 ：2 4 8 6 - 2 4 8 9 1 5 e - y a b l o n o v i t e h ，j g m i t t e r , p h o t o n i cb a n ds t r u c t u r e ：t h ef a c e - c e n t e r e d - c u b i cc a s e ，p h y s r e l ：l e t t 1 9 8 9 ，6 3 ：1 9 5 0 - 1 9 5 3 m 1 n o u e t f u j i i at h e o r e t i c a la n a l y s i so f m a g n e t o o p t i ce f f e c to f y i gf i l m sw i t hr a n d o m m u l f i l a y e rs t r u c t u r e s ，j a p p lp h ，s ，1 9 9 7 ，8 1 15 6 5 9 3 6 6 1 1 7 m i n o u e ，k a r a i ，t f u j i i ，m a b e ，m a g n e t o o p t i c a lp r o p e r t i e so f o n e d i m e n s i o n a lp h o t o n i c c r y s t a l sc o m p o s e do f m a g n e f i ca n dd i e l e c t r i cl a y e r s ij a p p lp h v s ，1 9 9 8 ，8 3 ：6 7 6 8 - 6 7 7 0 1 8 m 1 n o u e ，k a r a i ，t f u j i i ，m a b e ，o n e d i m e n s i o n a lm a g n e t o p h o t o n i cc r y s t a l s ，上a p p lp h y s 1 9 9 9 ，8 5 ：5 7 6 8 5 7 7 0 1 9 e t a k e d a ，n t o d o r o k i ，y k i t a m o t o ，m a b e ，m 1 n o u e ，t f a j i i ，k a r a i ，