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仪表网 研发快讯】近期，中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部王俊研究员团队在YIG磁光陶瓷离子切片及1.55 μm近红外和2.1 μm中红外片上
隔离器应用方面取得进展。相关成果以“Study on ion slicing of iron garnet magneto-optic materials for near and mid-infrared on-chip optical isolators”为题发表于Optics Express。
稀土掺杂铁石榴石(RIG)以其卓越的磁光效应备受关注。基于RIG的光隔离器已成为光通信和集成光子学领域的重要元件，能够有效防止反射光进入激光腔或光信号链路，从而提高系统的稳定性和可靠性，但将其集成到光子集成芯片(PICs)中仍然面临着材料兼容性、成本和生产规模等多重挑战。目前，将铁石榴石材料与硅进行异质集成的方案主要有脉冲激光沉积(PLD)、D2W键合以及新兴的微转印方案等，但实际实施受到加工设备精度和
过程控制的苛刻要求制约，限制了其进一步大规模应用。
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。
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。
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。
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。
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。
相关工作得到国家重点研发计划和上海市自然科学基金面上项目的支持。
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