硅基磁光波导的非互易性研究

作     者：李航天 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王智

授予年度：2021年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 0702[理学-物理学] 

主      题：非互易性 磁光隔离器 表面磁等离激元 单向传播模式 非互易相移 

摘      要：随着现代片上集成光学的发展,作为集成光系统中必不可少的非互易光波导迅速成为了研究热点,朝着更加小型化、集成化和智能化的方向发展。本文从磁光效应和磁光材料产生非互易性的物理本质出发,在非互易光波导的理论推导、数值计算以及仿真设计等方面开展了如下研究。1.推导了具有非互易特性传播特性的色散方程。首先从麦克斯韦方程出发,推导了在磁场作用下,旋磁和旋电两类磁光材料的磁导率和介电常数的非对称矩阵表示。应用这两类材料,研究了一种在硅和磁光材料界面处传播的非互易表面磁等离激元(Surface Magneto Plasmons,SMPs),发现在特定的频率范围内,基模和高阶模式的SMPs均具有一定的单向传播区域。所谓单向传播,即波导的一个方向可以通光,在另一传播方向该模式是截止的,即可以实现光隔离的功能。2.通过对色散方程进行数值计算,研究了单向传播模式的存在条件及带宽。通过数值计算色散曲线和磁光材料的能带结构,发现两类磁光材料在银-硅-磁光材料的平面波导结构中具有相似的特性,硅厚度的增加使高阶模式出现在频率更低的位置,压缩基模的单向传播区。外磁场的增大能够提高单向传播的频率,但也存在着引入高阶模式的问题。通过优化波导的结构参数,发现旋磁材料YIG的单向传播频段在GHz波段,最大隔离带宽达到2.45GHz,旋电In Sb的单向传播频段在THz波段,最大隔离带宽达到3.9THz,该方案在实现GHz和THz波段隔离上具有广阔的应用前景。3.仿真了一种跑道型磁光微环隔离器。由于基于直波导表面磁等离激元的隔离方案很难将隔离频段近一步提高,本文还通过仿真研究了一种基于磁光微环谐振腔结构,实现1550nm波段隔离的方案。推导了非互易相移效应及磁光微环的基础理论公式,优化了截面磁光材料的尺寸使非互易相移值达到6450deg/cm。通过仿真半径为50μm的跑道型磁光微环,发现施加40μm的Ce:YIG,该跑道型磁光微环能够在波长1542.53nm处达到20.4dB隔离度。