1.55μm近红外和2.1μm中红外片上隔离器应用方面取得进展

　　本研究中，研究团队利用离子切片技术，成功地验证了在硅基底上制备高光学品质铁石榴石磁光薄膜的可行性，并展示了其在片上光隔离器中的潜在应用。研究团队采用钇铁石榴石(YIG)晶体，掺铋铁石榴石(BIG)和新开发的YIG陶瓷作为基材，分别探究了115 keV能量和2E16剂量He+离子注入下的离子与缺陷分布，并通过起泡实验证明了YIG陶瓷与单晶材料通过离子切片技术实现百纳米级薄膜制备的可行性。与单晶相比，YIG陶瓷具有生产成本更低、生长周期更短和具备大尺寸制备潜力等优势，更适合基于离子切片实现大面积磁光薄膜制备和异质集成。

　　在1.55 μm近红外通讯波段，YIG陶瓷展现出优异的磁光性能。研究显示，其法拉第旋转角达到175°/cm，非互易相移(NRPS)为282.90 rad/m。基于这一材料特性，研究团队设计了一个基于马赫-曾德干涉仪(MZI)结构的片上光隔离器。研究结果表明，该隔离器在1.55 μm波长下表现出插入损耗仅为2.78 dB，隔离带宽达到83 nm。

　　图1. He离子注入后的BIG、YIG晶体和YIG陶瓷在不同温度下退火的表面变化的光学显微镜图像。

　　图2. NRPS 波导截面尺寸和Hx在1.55 μm(a)和2.1 μm(b)处的分布，以及仿真计算得到的隔离器在1.55 μm(c)和2.1 μm(d)波长下的传输特性。

　　此外，随着光通信对更高带宽需求的增长，中红外波段(2.1 μm)也逐渐成为研究热点。在这一波段，YIG陶瓷表现出显著的性能优势。其法拉第旋转角为114°/cm，虽然低于1.55 μm波段，但其光吸收显著降低，且非互易相移(NRPS)仍然达到199.53 rad/m。基于此，研究团队设计的片上光隔离器在2.1μm波段的插入损耗进一步降低至仅0.35 dB，隔离带宽则增加至84 nm。这些性能的提升得益于YIG陶瓷在中红外波段极低的吸收系数(α = 0.053 cm?¹)及其磁光系数在色散关系中的稳定性。

　　这项研究充分验证了YIG陶瓷在1.55 μm近红外和2.1 μm片上光隔离器应用中的可行性，以及通过离子切片技术实现大尺寸硅基磁光薄膜制备的重要价值，展现出YIG陶瓷和离子切片技术在中红外通信和传感领域应用的巨大潜力。

　　参考来源：上海光学精密机械研究所

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