近期，中國科學院上海光學精密機械研究所空天激光技術與系統部王俊研究員團隊在YIG磁光陶瓷離子切片及1.55 μm近紅外和2.1 μm中紅外片上隔離器應用方面取得進展。相關成果以“Study on ion slicing of iron garnet magneto-optic materials for near and mid-infrared on-chip optical isolators”為題發表于Optics Express。
 

　　稀土摻雜鐵石榴石(RIG)以其卓越的磁光效應備受關注。基于RIG的光隔離器已成為光通信和集成光子學領域的重要元件，能夠有效防止反射光進入激光腔或光信號鏈路，從而提高系統的穩定性和可靠性，但將其集成到光子集成芯片(PICs)中仍然面臨著材料兼容性、成本和生產規模等多重挑戰。目前，將鐵石榴石材料與硅進行異質集成的方案主要有脈沖激光沉積(PLD)、D2W鍵合以及新興的微轉印方案等，但實際實施受到加工設備精度和過程控制的苛刻要求制約，限制了其進一步大規模應用。
 

　　本研究中，研究團隊利用離子切片技術，成功地驗證了在硅基底上制備高光學品質鐵石榴石磁光薄膜的可行性，并展示了其在片上光隔離器中的潛在應用。研究團隊采用釔鐵石榴石(YIG)晶體，摻鉍鐵石榴石(BIG)和新開發的YIG陶瓷作為基材，分別探究了115 keV能量和2E16劑量He+離子注入下的離子與缺陷分布，并通過起泡實驗證明了YIG陶瓷與單晶材料通過離子切片技術實現百納米級薄膜制備的可行性。與單晶相比，YIG陶瓷具有生產成本更低、生長周期更短和具備大尺寸制備潛力等優勢，更適合基于離子切片實現大面積磁光薄膜制備和異質集成。
 

　　圖1. He離子注入后的BIG、YIG晶體和YIG陶瓷在不同溫度下退火的表面變化的光學顯微鏡圖像。

 

　　在1.55 μm近紅外通訊波段，YIG陶瓷展現出優異的磁光性能。研究顯示，其法拉第旋轉角達到175°/cm，非互易相移(NRPS)為282.90 rad/m。基于這一材料特性，研究團隊設計了一個基于馬赫-曾德干涉儀(MZI)結構的片上光隔離器。研究結果表明，該隔離器在1.55 μm波長下表現出插入損耗僅為2.78 dB，隔離帶寬達到83 nm。
 

　　此外，隨著光通信對更高帶寬需求的增長，中紅外波段(2.1 μm)也逐漸成為研究熱點。在這一波段，YIG陶瓷表現出顯著的性能優勢。其法拉第旋轉角為114°/cm，雖然低于1.55 μm波段，但其光吸收顯著降低，且非互易相移(NRPS)仍然達到199.53 rad/m。基于此，研究團隊設計的片上光隔離器在2.1μm波段的插入損耗進一步降低至僅0.35 dB，隔離帶寬則增加至84 nm。這些性能的提升得益于YIG陶瓷在中紅外波段極低的吸收系數(α = 0.053 cm?1)及其磁光系數在色散關系中的穩定性。
 

　　這項研究充分驗證了YIG陶瓷在1.55 μm近紅外和2.1 μm片上光隔離器應用中的可行性，以及通過離子切片技術實現大尺寸硅基磁光薄膜制備的重要價值，展現出YIG陶瓷和離子切片技術在中紅外通信和傳感領域應用的巨大潛力。
 

　　圖2. NRPS 波導截面尺寸和Hx在1.55 μm(a)和2.1 μm(b)處的分布，以及仿真計算得到的隔離器在1.55 μm(c)和2.1 μm(d)波長下的傳輸特性。

 

　　相關工作得到國家重點研發計劃和上海市自然科學基金面上項目的支持。