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《电子科技大学》 2003年
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掺(?)钇铁石榴石磁光薄膜的性能及应用研究

王巍  
【摘要】:利用光信号进行信息传输及处理的优越性是显而易见的。然而在光通信系统中,尤其是光子集成电路(PICs)中遇到的一个非常重要的问题是如何消除系统中反射光对激光光源的影响。光路系统中的反射光会致使激光器产生寄生振荡,使得输出光的频率不稳定,从而严重限制了信号的调制带宽。而光隔离器便能克服这一问题,它是一种允许光单向传输而阻断光反向传输的非互易磁光器件。因而光隔离器是一种非常重要的光无源器件,对整个光通信系统的正常运行起着至关重要的作用。 目前投入使用的块状型光隔离器是一种分立型器件,已经不能满足光通信系统飞速发展的需求。因而人们开始着手研制集成光学型光隔离器。相对于块状型光隔离器,集成光学型光隔离器具有驱动时所需的外加磁场小、成本低廉、体积小便于光系统集成等诸多优点。但由于其设计及制备技术的复杂性,这种光隔离器的实用化研究是当前的研究热点之一。对集成光学型光隔离器的研究主要集中在以下两方面:其一是继续寻找更为有效的器件模型;其二是继续对具有磁光法拉第效应的薄膜材料进行研究,力求使薄膜材料具有更大的磁光法拉第旋转系数,以适应器件的要求。而薄膜材料的性能又是制约器件发展的瓶颈。 亚铁磁性的石榴石薄膜材料是目前已知的唯一的一种在近红外波段具有磁光法拉第效应,同时光吸收所造成的传输损耗极低的材料。Ce取代YIG (Ce:YIG)磁光薄膜更是这类材料中的佼佼者。因此,本论文选择Ce:YIG薄膜为研究对象,首先,从理论上分析了Ce:YIG的巨磁光法拉第效应的起源,Ce的引入对材料光学特性的影响。其次,对Ce:YIG薄膜材料的制备条件,以及制备条件对磁光性能及光吸收的影响进行深入研究。主要研究工作及创新性如下: 首先根据量子力学理论,从微观角度讨论Ce:YIG薄膜的巨磁光法拉第效应的起源,得到Ce:YIG的法拉第旋转系数的量子力学表达式。理论分析表明,Ce:YIG中磁光活性离子Ce3+的数目、能级分裂的程度、电子跃迁的几率和电子跃迁的振子强度均对磁光法拉第效应有影响。本文从理论上证明了Ce的引入极大地增强了Ce:YIG磁光法拉第效应,并推论出Ce:YIG的法拉第效应具有温度依赖性。 对Ce:YIG光吸收的理论分析表明,未取代YIG的本征光吸收非常小,主要 WP=6 是由于晶体场跃迁引起的。Ce的引入直接导致了新的电子跃迁的出现,而Ce3+-Fe3+ (tet)电荷转移跃迁是造成Ce:YIG光吸收急剧增大的主要原因。本文采用利用高斯曲线拟合法对Ce2YIG的光吸收谱进行了分析,结果表明:在近红外波段的光吸收至少可以归结为两个电子跃迁过程,跃迁的中心频率分别为 和 。 本文确定用射频磁控溅射法制备Ce1YIG薄膜,因此溅射靶材的制备就显得尤为关键。针对用氧化物法制备粉体存在的不足,本文采用化学共沉淀法制备高质量的Ce1YIG粉体。对Ce1YIG粉体制备的工艺过程进行了研究,得到以下主要结论: 提出了制备粉体的完整工艺,解决了材料合成中遇到的一些工艺难点,如氧化钇的溶解,粉体的团聚和粉体的分层沉淀等;共沉淀法所得Ce1YIG粉体的烧结特性大为改善,成相烧结温度为900℃;首次给出了Ce1YIG粉体的红外图谱(IR),根据IR图谱对其物相结构进行了分析,并通过XRD对其合理性进行了验证;研究了粉体的磁性能随烧结温度的变化情况。 针对在薄膜制备过程中,Ce1YIG中Ce元素价态及氧空位浓度的变化对薄膜总体性能的影响,引入能带概念,建立了Ce1YIG体系的能带理论模型,提出了由于稀土铈的掺杂,在YIG晶体中引入了新的电子陷阱,改变了导带电子的跃迁途径,从而导致薄膜的结构随制备条件的不同而改变。 对Ce1YIG薄膜的溅射工艺及后续的晶化处理工艺进行了研究,得到了如下主要结论:成功地在非晶态的二氧化硅基片上用溅射法制备了非晶的Ce1YIG薄膜,并进行了后续晶化处理,得到了晶化的Ce1YIG薄膜。对薄膜晶化条件的研究表明:薄膜的磁光性能及光吸收特性受晶化气氛、晶化时间及晶化温度等因素的影响,并运用能带理论模型进行了分析。其饱和法拉第旋转系数为。Ce1YIG晶化薄膜的易磁化方向为平行于膜面方向,其居里温度为220℃,这些特性表明Ce1YIG薄膜适用于制备非互易磁光隔离器。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TN929.11

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【参考文献】
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