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硅集成YIG基磁光薄膜及光隔离器制备与性能研究

张燕  
【摘要】:光隔离器可实现光的单向传播,从而保护激光器、放大器等敏感元件免受反射光的影响,避免相对强度噪声(RIN)和相位噪声。实现光隔离器的硅基片上集成一直是光子集成回路(PICs)的一个长期挑战。在光子集成回路中,理想的集成光隔离器应具备高集成度、小尺寸、大带宽、偏振多样性以及与多种材料平台兼容等特点。尽管近年来在集成光隔离器上已经取得的很大进步,但目前所报道的隔离器还不能满足以上要求。传统的磁光隔离器是采用磁性材料如钇铁石榴石的非互易性来实现光的隔离,但由于晶格失配以及热膨胀系数失配较大等原因使得磁光材料难以在硅、Ⅲ-Ⅴ族半导体基底上集成。采用晶圆键合的方式可实现磁光材料与半导体基底的异构集成,但不能实现单片集成和大规模器件制备,器件尺寸大、成本高、良率低。基于时空调制、非线性等原理制备的光隔离器存在工作带宽窄、器件长度长、功耗大等的问题。因此,目前尚没有单片集成的硅基光隔离器件。采用硅基单片集成磁光薄膜制备波导光隔离器可以有效克服上述难题。这一领域的主要问题包括:第一,如何突破磁光材料与硅材料的晶格失配和热失配问题,在硅基底上实现高优值磁光材料的单片生长?第二,如何解决波导法拉第旋光结构的相位匹配困难,设计基于非互易移相新机理的光隔离器?第三,如何发展基于半导体制备工艺,应用于全偏振和全基片材料的普适波导隔离器集成方法?基于上述研究背景和问题,本文从硅基集成磁光材料制备,光隔离器的设计及制备等方面开展了研究,最终首次实现了宽带、高性能光隔离器的硅基单片集成。研究内容具体包括以下几个方面:1.采用脉冲激光沉积技术(PLD)深入研究了硅集成多晶钇铁石榴石(YIG)薄膜的制备温度与材料结构、与材料磁光和光学性能的关系。当沉积或者退火温度过高时,所制备的材料中存在杂相以及Fe元素的变价;反之当退火温度过低时会有非晶相的存在。研究表明,硅上制备YIG薄膜的最佳生长温度为400℃下并经800℃-850℃下快速退火,所得到的YIG薄膜具有99%的相纯度,低光学损耗和低磁损耗。2.以YIG薄膜为种子层,突破了强磁光效应Ce:YIG薄膜的硅基集成难题,使材料法拉第旋光效应超过外延薄膜。基于第一性原理仿真,通过引入氧空位调控局域晶格应变对Ce~(4+)离子形成焓进行调控,将硅集成多晶Ce:YIG薄膜中Ce的固溶度由1.0提高至1.5。Ce_(1.5)Y_(1.5)Fe_5O_(12)薄膜在1550 nm波长的磁光法拉第旋角高达-6410deg/cm,是目前所报道的多晶Ce_1Y_2Fe_5O_(12)薄膜的2倍,同时也是外延Ce_1Y_2Fe_5O_(12)薄膜的1.4倍。证明硅上可以实现强磁光效应薄膜的制备,为实现磁光隔离器的单片集成提供了可能。3.针对横电(TE)模式光隔离器对垂直各向异性(PMA)磁光薄膜的需求,通过在Ce:YIG薄膜系统中引入具有负磁弹系数的Dy~(3+)离子,实现了对Ce:YIG薄膜磁各向异性的调控。随着Dy~(3+)离子掺入浓度的提高,Dy:CeYIG薄膜的易磁化轴逐渐由面内趋向于面外,当Dy~(3+)离子完全取代Y~(3+)离子时,薄膜获得了面外矩磁性。通过改变薄膜沉积过程中的热应力以及调节YIG与Dy:CeYIG的相对厚度可实现对PMA薄膜矫顽力的调控。对于Ce_1Dy_2Fe_5O_(12)薄膜,其面外矫顽力可由160 Oe逐渐增加至1100 Oe。此外,测试了Ce_1Dy_2Fe_5O_(12)薄膜在可见光至近红外的法拉第旋光,其在1310 nm波长和1550 nm波长的法拉第旋角分别为-4700 deg/cm和-2800deg/cm。因此,Dy~(3+)掺杂是一种在Ce:YIG薄膜中可诱导PMA而不影响其磁光性能的有效方法,该材料的制备为自偏置TE模式磁光隔离器的实现提供了可能。4.在薄膜的光学损耗测量方面,通过采用波导截断法可精确测量波导损耗,并通过模拟多晶YIG/掺杂YIG薄膜的限制因子,计算出薄膜的光学损耗。首先采用接触曝光和电子束曝光(EBL)及刻蚀的方法,制备了厚度为220 nm,宽度分别为4μm和500 nm的硅波导。利用这两种波导结构,分别测试了不同厚度的YIG薄膜,不同制备氧压下的Ce:YIG薄膜的光学损耗,得到Ce:YIG薄膜在1550 nm波长处的最低光学损耗为80 dB/cm,Ce:DyIG薄膜为91 dB/cm。此外,通过在硅波导上包层开出不同长度的窗口用于沉积待测薄膜损耗的方式,可实现在较宽损耗范围内对硅基集成磁光薄膜光学损耗进行精确的测试。5.基于马赫-曾德尔干涉型(MZI)结构,通过COMSOL有限元及Lumerical时域有限差分(FDTD)仿真,设计并实验制备了横磁(TM)型和TE型集成宽带磁光隔离器。通过在硅波导顶部及侧壁直接沉积高质量的磁光薄膜,实现了具有高隔离度、低插损,高带宽及小尺寸硅基集成磁光隔离器的制备,其中单片集成的硅基宽带TM隔离器,硅基TE隔离器和SiN基光隔离器均为国际首次报道,证明高质量磁光隔离器可以在硅上单片集成。对于TM模式磁光隔离器,单向磁场(500 Oe)下获得了30 dB的隔离器度和5-6 dB的插损,其性能是目前报道硅集成光隔离器中最优的。这项工作为硅基光电子系统引入了光学非互易性,也为几个理论上提出的非互易波导器件,如磁光光子晶体、磁光波导调制器,磁光超构表面和非互易拓扑光子等器件的实验验证铺平了道路。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TB383.2;TN256

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