内容简介
《硅基波导集成磁光非互易器件研究》聚焦于硅基光电子技术与磁光非互易器件的交叉领域，系统探讨了硅基波导集成磁光非互易器件的设计、制备与应用。随着信息科技的飞速发展，光学器件的集成化需求日益迫切，硅基光子集成回路因其高折射率对比度和CMOS兼容性成为光学集成的重要平台。然而，硅基磁光非互易器件的研制仍面临材料、工艺和系统集成的挑战。
《硅基波导集成磁光非互易器件研究》首先回顾了硅基光电子技术的研究进展，重点分析了磁光非互易器件在光通信和光子集成系统中的关键作用。通过理论与实验结合，书中深入探讨了磁光效应（如法拉第效应、科顿-穆顿效应等）及其在硅基波导器件中的应用机制。随后，详细阐述了硅基磁光隔离器与环行器的设计与制备工艺，包括SOI基和SiN基磁光器件的优化方案，并对器件性能进行了系统表征。
在超宽带磁光非互易器件的设计与制备方面，《硅基波导集成磁光非互易器件研究》提出了一系列创新方法，包括宽带器件的带宽优化和色散补偿设计，进一步拓展了硅基磁光器件的应用范围。此外，书中还展示了硅基磁光非互易器件在激光器耦合、光探测模块和非互易光路由等领域的实际应用，体现了其在现代光子系统中的重要价值。
最后，《硅基波导集成磁光非互易器件研究》总结了当前研究的成果与不足，并展望了硅基磁光非互易器件未来的发展方向。通过对理论、技术与应用的全面梳理，《硅基波导集成磁光非互易器件研究》为硅基光电子技术的进一步发展提供了重要的参考价值，同时也为相关领域的研究者和工程师提供了有益的指导。
精彩书摘
第一章 绪论
1.1 硅基光电子技术的研究进展
随着信息科技的发展，为了满足在光学传输方面日益增长的需求，人们对光学器件的集成度提出了更高的要求。如同集成电路一般，有源光学器件如激光器、光调制器、光开关及光探测器等开始被集成在同一基底上，并结合模式耦合器、光延迟线及光隔离器等无源光学器件，组成了一个完整的片上集成的光学回路，即光子集成回路。与分立的光学器件相比，光子集成回路不仅具有更小的体积，并且高效低耗，大大降低了制备成本。在近十年的发展中，硅光平台成了光子集成回路中最突出的技术平台之一，由于其较高的波导芯层与包层的折射率对比度和良好的CMOS兼容性，硅光产品已广泛应用于光通信、数据通信以及微波光子学等领域。而为了实现高性能的硅基光电子芯片，高质量多功能的光学材料的与硅基光电子芯片的异质集成已成为未来硅光系统发展的主要方向。随着材料集成技术的进步，目前的研究已实现了多种功能材料和光学器件的硅基异质异构混合集成，包括Ⅲ-Ⅴ皿半导体薄膜和片上激光器、绝缘体上的铌酸锂（LNOI）薄膜和铌酸锂高速调制器、外延锗薄膜和光电探测器，以及磁光（MO）薄膜和光学非互易器件。其中，光学非互易器件，包括光隔离器和光环行器，是光电系统中的关键组件。光隔离器可对反向散射光进行阻挡，防止其进入激光腔或放大器，从而可以降低激光器的相对强度噪声和相位噪声，确保光学传输链路的高信噪比特性。除光隔离器外，光环行器可同时将反向传播光进行重新路由，使其传输至与原输入端口不同的端口，从而支持光信号的全双工传输，可用于光解复用以及光探测和测距（LIDAR）等场景吧。迄今为止，相关研究已经提出了多种机制来实现硅基片上光学非互易性，包括磁光效应、非线性光学效应和可诱导产生光学非互易的时空调制方法。其中，基于时空调制的光隔离器展示出了相当低的插入损耗（0.1dB），但其功耗较高，隔离带宽较窄。而基于非线性光学效应实现的非互易器件由于其动态的互易性，尚不能作为连续波激光器的有效隔离器和环行器，且由于其功率相关性，难以保障在系统中的稳定工作。而磁光非互易器件具有无源、线性、宽带和高功率容量等优势，适合用于各场景下的非互易光学器件应用。然而，实现磁光薄膜的硅基异质异构混合集成还存在重大的材料、器件、工艺和系统集成挑战。
1.2 硅基磁光非互易器件的研究进展
1.2.1 石榴石磁光薄膜的硅基异质异构集成
目前，商用的分立磁光隔离器使用通过液相外延制备的单晶的稀土掺杂的石榴石薄膜（RIG）作为法拉第旋转器。分立的磁光隔离器的典型的组件包括一个法拉第旋转器、两个偏振片和一个永磁体。该器件在1300nm或1550mm波长下可达到大于30dB的隔离比和低于0.5dB的插入损耗。尽管性能优异，但此类器件体积大、成本高昂，且无法平面集成到硅基光子集成回路上的任意位置，这使其成为硅基光电子芯片发展的一个瓶颈。
……
目录
第一章 绪论 1
1.1 硅基光电子技术的研究进展 1
1.2 硅基磁光非互易器件的研究进展 2
1.2.1 石榴石磁光薄膜的硅基异质异构集成 2
1.2.2 硅基集成MZI型磁光非互易器件 7
1.2.3 硅基集成微环型磁光非互易器件 12
1.2.4 硅基集成MMI型磁光非互易器件 14
1.2.5 基于法拉第效应的硅基集成磁光隔离器 16
1.2.6 集成磁光非互易器件的应用 18
1.3 本书的主要创新点及结构 24
第二章 磁光器件理论和实验方法 28
2.1 磁光效应理论 28
2.1.1 法拉第效应 28
2.1.2 科顿－穆顿效应 30
2.1.3 非互易移相效应 31
2.2 硅基集成波导器件理论 36
2.2.1 硅基集成微环器件理论 36
2.2.2 硅基集成MZI器件理论 38
2.3 制备和表征方法 40
2.3.1 硅基石榴石磁光薄膜制备方法 40
2.3.2 硅基磁光非互易器件制备方法 41
2.3.3 硅基磁光非互易器件表征方法 42
2.4 本章小结
第三章 硅基集成磁光隔离器与环行器 46
3.1 SOI基磁光隔离器设计 47
3.2 SOI基磁光隔离器制备及表征 52
3.3 SiN基磁光隔离器设计 60
3.4 SiN基磁光隔离器制备及表征 73
3.5 SiN基集成磁光微环隔离器制备及表征 85
3.6 硅基集成磁光环行器的设计、制备及表征 87
3.7 本章小结 90
第四章 硅基超宽带磁光非互易器件设计与制备 91
4.1 SiN基集成宽带磁光非互易器件设计 93
4.2 SiN基集成宽带磁光非互易器件制备与表征 106
4.3 SiN基集成宽带磁光非互易器件带宽优化 110
4.4 SiN基磁光器件色散补偿设计方法拓展 117
4.5 SiN基磁光隔离器容差分析 120
4.6 本章小结 127
第五章 硅基集成磁光非互易器件的应用 128
5.1 激光器与集成磁光隔离器耦合模块 128
5.2 基于硅基磁光环行器的收发一体激光探测模块 131
5.3 基于磁光非互易移相波导的非互易光路由 133
5.4 基于片上电磁铁和磁光波导的高速移相器 147
5.5 本章小结 154
第六章 总结与展望 155
6.1 总结 155
6.2 展望 157
参考文献 159
试读
第一章 绪论
1.1 硅基光电子技术的研究进展
随着信息科技的发展，为了满足在光学传输方面日益增长的需求，人们对光学器件的集成度提出了更高的要求。如同集成电路一般，有源光学器件如激光器、光调制器、光开关及光探测器等开始被集成在同一基底上，并结合模式耦合器、光延迟线及光隔离器等无源光学器件，组成了一个完整的片上集成的光学回路，即光子集成回路。与分立的光学器件相比，光子集成回路不仅具有更小的体积，并且高效低耗，大大降低了制备成本。在近十年的发展中，硅光平台成了光子集成回路中最突出的技术平台之一，由于其较高的波导芯层与包层的折射率对比度和良好的CMOS兼容性，硅光产品已广泛应用于光通信、数据通信以及微波光子学等领域。而为了实现高性能的硅基光电子芯片，高质量多功能的光学材料的与硅基光电子芯片的异质集成已成为未来硅光系统发展的主要方向。随着材料集成技术的进步，目前的研究已实现了多种功能材料和光学器件的硅基异质异构混合集成，包括Ⅲ-Ⅴ皿半导体薄膜和片上激光器、绝缘体上的铌酸锂（LNOI）薄膜和铌酸锂高速调制器、外延锗薄膜和光电探测器，以及磁光（MO）薄膜和光学非互易器件。其中，光学非互易器件，包括光隔离器和光环行器，是光电系统中的关键组件。光隔离器可对反向散射光进行阻挡，防止其进入激光腔或放大器，从而可以降低激光器的相对强度噪声和相位噪声，确保光学传输链路的高信噪比特性。除光隔离器外，光环行器可同时将反向传播光进行重新路由，使其传输至与原输入端口不同的端口，从而支持光信号的全双工传输，可用于光解复用以及光探测和测距（LIDAR）等场景吧。迄今为止，相关研究已经提出了多种机制来实现硅基片上光学非互易性，包括磁光效应、非线性光学效应和可诱导产生光学非互易的时空调制方法。其中，基于时空调制的光隔离器展示出了相当低的插入损耗（0.1dB），但其功耗较高，隔离带宽较窄。而基于非线性光学效应实现的非互易器件由于其动态的互易性，尚不能作为连续波激光器的有效隔离器和环行器，且由于其功率相关性，难以保障在系统中的稳定工作。而磁光非互易器件具有无源、线性、宽带和高功率容量等优势，适合用于各场景下的非互易光学器件应用。然而，实现磁光薄膜的硅基异质异构混合集成还存在重大的材料、器件、工艺和系统集成挑战。
1.2 硅基磁光非互易器件的研究进展
1.2.1 石榴石磁光薄膜的硅基异质异构集成
目前，商用的分立磁光隔离器使用通过液相外延制备的单晶的稀土掺杂的石榴石薄膜（RIG）作为法拉第旋转器。分立的磁光隔离器的典型的组件包括一个法拉第旋转器、两个偏振片和一个永磁体。该器件在1300nm或1550mm波长下可达到大于30dB的隔离比和低于0.5dB的插入损耗。尽管性能优异，但此类器件体积大、成本高昂，且无法平面集成到硅基光子集成回路上的任意位置，这使其成为硅基光电子芯片发展的一个瓶颈。
……
前言/序言
序
当前，我们正置身于一个前所未有的变革时代，新一轮科技革命和产业变革深入发展，科技的迅猛发展如同破晓的曙光，照亮了人类前行的道路。科技创新已经成为国际战略博弈的主要战场。习近平总书记深刻指出：“加快实现高水平科技自立自强，是推动高质量发展的必由之路。”这一重要论断，不仅为我国科技事业发展指明了方向，也激励着每一位科技工作者勇攀高峰、不断前行。
博士研究生教育是国民教育的最高层次，在人才培养和科学研究中发挥着举足轻重的作用，是国家科技创新体系的重要支撑。博士研究生是学科建设和发展的生力军，他们通过深入研究和探索，不断推动学科理论和技术进步。博士论文则是博士学术水平的重要标志性成果，反映了博士研究生的培养水平，具有显著的创新性和前沿性。
由电子科技大学出版社推出的“博士论丛”图书，汇集多学科精英之作，其中《基于时间反演电磁成像的无源互调源定位方法研究》等28篇佳作荣获中国电子学会、中国光学工程学会、中国仪器仪表学会等国家级学会以及电子科技大学的优秀博士论文的殊誉。这些著作理论创新与实践突破并重，微观探秘与宏观解析交织，不仅拓宽了认知边界，也为相关科学技术难题提供了新解。“博士论丛”的出版必将促进优秀学术成果的传播与交流，为创新型人才的培养提供支撑，进一步推动博士教育迈向新高。
青年是国家的未来和民族的希望，青年科技工作者是科技创新的生力军和中坚力量。我也是从一名青年科技工作者成长起来的，希望“博士论丛”的青年学者们再接再厉。我愿此论丛成为青年学者心中之光，照亮科研之路，激励后辈勇攀高峰，为加快建成科技强国贡献力量！
中国工程院院士 刘龙江
2024年12月
