硅集成磁光非互易光學(xué)器件技術(shù)

劉書(shū)緣/LIU Shuyuan

鄧龍江/DENG Longjiang

畢磊/BI Lei

（電子科技大學(xué)，中國(guó)成都611054）

非互易光學(xué)器件包括光隔離器、光環(huán)行器等，是光學(xué)系統(tǒng)中不可或缺的核心器件。以光隔離器為例，非互易光學(xué)器件的主要作用是實(shí)現(xiàn)光的單向通過(guò)。該器件可阻止遠(yuǎn)端反射光進(jìn)入激光器諧振腔或放大器，以避免由反射光造成的相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）和相位噪聲。這對(duì)確保光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作具有非常重要的意義。在中國(guó)，光隔離器的需求量每年高達(dá)數(shù)千萬(wàn)甚至上億只。光隔離器不僅被廣泛應(yīng)用于骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)、接入網(wǎng)等光纖通信系統(tǒng)中，還被大量用于光互連模塊等數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，具有不可替代的作用。

目前，商用的非互易光學(xué)器件主要是基于磁光材料[稀土摻雜釔鐵石榴石（RIG）]的法拉第旋光效應(yīng)制備的，如圖1所示[1]。其工作原理是：利用光在磁性介質(zhì)中的法拉第旋光效應(yīng)，先使正向傳播的線(xiàn)偏振激光偏振方向旋轉(zhuǎn)45°，然后再通過(guò)檢偏器；由于法拉第旋光效應(yīng)的光學(xué)非互易性，反射光的偏振狀態(tài)不會(huì)回到入射光的偏振方向，而會(huì)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)45°與起偏器偏振方向正交，從而實(shí)現(xiàn)消光。這一器件的核心材料是實(shí)現(xiàn)法拉第旋光的磁光晶體厚膜RIG。這一材料主要采用液相外延方法在釓鎵石榴石（GGG）基片上生長(zhǎng)。由于實(shí)現(xiàn)45°旋光需要生長(zhǎng)數(shù)百微米厚的RIG薄膜材料，工藝難度和材料成本都很高，且目前只有美國(guó)（II-VI）和日本（Granopt/信越）的少數(shù)公司掌握這種技術(shù)，這導(dǎo)致中國(guó)相關(guān)材料和元器件長(zhǎng)期依賴(lài)美、日進(jìn)口，已成為光電子領(lǐng)域的一個(gè)“卡脖子”問(wèn)題。

▲圖1 基于法拉第旋光原理的磁光隔離器[1]

近年來(lái)，隨著集成光模塊、硅基光電子芯片技術(shù)的進(jìn)步，光通信/光互連系統(tǒng)均逐漸向更小尺寸、更低成本、更高性能的光電集成芯片發(fā)展。其中一個(gè)迫切的需求是實(shí)現(xiàn)非互易光學(xué)材料和器件的平面集成化、小型化和低成本化。圍繞這一難題，盡管全球開(kāi)展了30余年的研究，但仍沒(méi)有完全攻克這一難題。雖然近年來(lái)有學(xué)者提出了一些非磁性的解決方案，如非線(xiàn)性效應(yīng)[2-4]、時(shí)空調(diào)制[5-6]等，但是器件帶寬、功耗、功率依賴(lài)等科學(xué)問(wèn)題尚在基礎(chǔ)研究層面，離實(shí)際應(yīng)用還有一定的距離。因此，基于磁光效應(yīng)的集成非互易器件仍是目前最接近實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)方向。這一領(lǐng)域的研究面臨的主要困難在于3個(gè)方面：（1）高性能磁光材料難以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體集成。RIG等磁光薄膜材料與Si等半導(dǎo)體材料晶格的失配（釔鐵石榴石（YIG）：12.4 ?；Si：5.4 ?）、熱失配（YIG：約10-5K-1；Si：約2.3×10-6K-1），導(dǎo)致材料難以實(shí)現(xiàn)硅基外延，材料磁光效應(yīng)弱，損耗高。（2）法拉第旋光效應(yīng)難以應(yīng)用于磁光波導(dǎo)器件。由于波導(dǎo)器件對(duì)于橫電模（TE）/橫磁模（TM）存在不同的傳播常數(shù)，即器件造成的雙折射，使磁光波導(dǎo)無(wú)論多長(zhǎng)都不能實(shí)現(xiàn) 45°的旋光[7]。（3）工藝兼容困難。磁光材料需要高溫，并且存在Fe等半導(dǎo)體前端工藝不兼容的元素，這造成了芯片制備過(guò)程工藝整合的困難。這些問(wèn)題導(dǎo)致了非互易光學(xué)器件較少能夠?qū)崿F(xiàn)半導(dǎo)體集成的光學(xué)器件，被稱(chēng)為集成光學(xué)的根本性難題之一[5]。

世界各國(guó)在集成磁光非互易器件領(lǐng)域的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。東京工業(yè)大學(xué)MIZUMOTO T.教授是這一領(lǐng)域的先驅(qū)。他首先采用磁光非互易移相原理解決波導(dǎo)器件中法拉第旋光效應(yīng)弱的問(wèn)題，并采用晶圓鍵合的方法克服高性能磁光薄膜材料的半導(dǎo)體集成困難，實(shí)現(xiàn)了TM和TE模式寬帶磁光隔離器的硅基集成，并使器件隔離度達(dá)到了30 dB，插損為8～10 dB[8]。美國(guó)加州大學(xué)圣芭芭拉分校（UCSB）的BOWERS J.E.教授也采用這一方法研究隔離器集成技術(shù)。他采用金屬電極的電流來(lái)提供局域磁場(chǎng)，避免了外加偏置磁場(chǎng)的問(wèn)題，使器件性能與MIZUMOTO T.教授小組的相當(dāng)[9]。另外，歐洲微電子中心（IMEC）的研究者也采用晶圓鍵合的方法研究隔離器的硅基集成技術(shù)。其區(qū)別是采用苯并環(huán)丁烯（BCB）作為鍵合媒質(zhì)。由于BCB減少了模式在磁光材料中的限制因子，他們實(shí)現(xiàn)的器件相對(duì)更大一些，性能也略低于東京工業(yè)大學(xué)和UCSB研究小組的器件性能[10]。采用晶圓鍵合技術(shù)路線(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，在于可以利用高性能的外延單晶RIG薄膜，在工藝兼容上也相對(duì)容易處理。然而，RIG與硅波導(dǎo)界面質(zhì)量難以控制（實(shí)際上造成了6 dB左右的插損），并且器件尺寸大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受限，同時(shí)無(wú)法滿(mǎn)足隔離器需求量大的產(chǎn)能需求。采用單片集成，即直接在硅上沉積磁光材料的方法，可以解決上述問(wèn)題。開(kāi)展這一方面研究的小組，主要有中國(guó)電子科技大學(xué)的畢磊教授小組、美國(guó)麻省理工學(xué)院的ROSS C.A.教授和HU J.J.教授小組。這些小組主要采用在硅基光波導(dǎo)中沉積Bi摻雜YIG或Ce摻雜YIG薄膜的方式，實(shí)現(xiàn)材料和器件集成。目前這些小組已實(shí)現(xiàn)寬帶和窄帶光隔離器的硅基單片集成[11-13]。美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的STADLER B.教授小組和英國(guó)格拉斯哥大學(xué)的HUTCHINGS D.教授小組，也都采用沉積方法制備硅基集成磁光薄膜。他們采用準(zhǔn)相位匹配的方法，制備了波導(dǎo)法拉第旋光器件，并克服了結(jié)構(gòu)雙折射帶來(lái)的旋光小的問(wèn)題[14]。然而目前還沒(méi)有完整的隔離器研制和性能報(bào)道。雖然采用單片集成可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并行制備，使成本顯著降低，但仍存在的幾個(gè)難點(diǎn)：（1）材料性能比單晶外延薄膜較差，限制了器件的整體性能；（2）仍須發(fā)展新的器件設(shè)計(jì)并解決損耗、偏振依賴(lài)和帶寬問(wèn)題；（3）還須解決材料沉積與模塊制成工藝的兼容整合問(wèn)題。

本文中，我們主要綜述本小組近5年來(lái)在這一領(lǐng)域的研究情況。通過(guò)材料缺陷結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的理論分析和工藝控制，我們研制接近單晶質(zhì)量的硅基集成磁光薄膜?；诖殴夥腔ヒ滓葡嘣恚覀?cè)O(shè)計(jì)并制備了TE/TM模式的磁光隔離器件。研制的硅基集成光隔離器件的尺寸、成本都顯著優(yōu)于分立器件，性能接近分立器件水平。我們認(rèn)為，單片集成磁光薄膜和非互易光學(xué)器件都可以獲得較高性能，有望在不久的將來(lái)應(yīng)用在光電子芯片中。

1 硅基集成高優(yōu)值磁光薄膜材料

作為磁光非互易器件的材料基礎(chǔ)，磁光材料很大程度上決定了磁光非互易光學(xué)器件的最終性能，因此磁光材料的生長(zhǎng)是制備磁光非互易光學(xué)器件的關(guān)鍵技術(shù)。以鈰（Ce）和鉍（Bi）為代表的稀土金屬摻雜的YIG，在通信波段有較高的透過(guò)率和較強(qiáng)的磁光效應(yīng)。它們是制備磁光非互易光學(xué)器件的理想材料體系。YIG的晶格結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，其1個(gè)晶胞由8個(gè)Y3Fe5O12單元組成，存在十二面體（c位）、八面體（a位）、四面體（d位）3種空位類(lèi)型。其中，c位間隙最大，由稀土金屬離子占據(jù)；a位和d位由Fe離子占據(jù)。研究表明，通過(guò)在十二面體間隙位置引入Ce離子，可以大幅提高材料的磁光性能。在目前已開(kāi)展的Ce1Y2Fe5O12薄膜的研究基礎(chǔ)上，我們基于理論計(jì)算和工藝優(yōu)化，探索了提高材料優(yōu)值的途徑。

▲圖2 YIG晶格及其摻雜物性能

鈰摻雜釔鐵石榴石（Ce∶YIG）薄膜的磁光效應(yīng)，強(qiáng)烈依賴(lài)于Ce3+在釔鐵石榴石晶格中的離子濃度。為了優(yōu)化器件性能，使材料達(dá)到更高旋光，Ce3+的固溶度需要提高，然而，實(shí)際上提高YIG晶格中Ce3+離子的濃度是較為困難的，這是因?yàn)镃e3+離子的半徑遠(yuǎn)大于Y3+離子，從而造成Ce3+離子傾向于析出形成熱力學(xué)更穩(wěn)定但對(duì)磁光無(wú)貢獻(xiàn)的CeO2相。

針對(duì)上述問(wèn)題，我們首先采用密度泛函理論（DFT+U）的方法，來(lái)計(jì)算氧空位效應(yīng)對(duì)磁光特性的影響。我們發(fā)現(xiàn)，Ce（4f）-Fe（3d）的電荷轉(zhuǎn)移是Ce∶YIG在近紅外產(chǎn)生吸收的主要原因，同時(shí)氧空位的存在會(huì)使Ce3+離子的晶格場(chǎng)發(fā)生改變。提高Ce4+離子的生成焓，抑制Ce3+轉(zhuǎn)化為Ce4+，可以避免CeO2和Ce4+離子的生成。在較低氧氣壓下，雖然Ce∶YIG薄膜結(jié)晶性良好，但是由于薄膜中氧空位濃度較高，由第一性原理計(jì)算可知，氧空位可導(dǎo)致鄰近Fe3+離子被還原成Fe2+，從而增強(qiáng)了薄膜的光學(xué)吸收。當(dāng)氧氣壓過(guò)高時(shí)，Ce、Fe元素傾向于形成更加穩(wěn)定的CeO2和Fe2O3相，導(dǎo)致材料磁光效應(yīng)減弱。這說(shuō)明氧分壓對(duì)材料的磁光和光學(xué)性能有重要影響[15]。

基于上述分析，我們采用激光脈沖沉積技術(shù)，分別在硅基底上生長(zhǎng)不同組分的CexY3-xFe5O12/YIG薄膜，并通過(guò)X射線(xiàn)衍射儀（XRD）表征其結(jié)晶性，如圖2（b）所示。當(dāng)Ce含量為1.0及1.2時(shí)，薄膜可以結(jié)晶為石榴石相。當(dāng)Ce含量達(dá)到1.5時(shí)，較大的非晶衍射鼓包會(huì)出現(xiàn)；進(jìn)一步增加Ce含量至1.7時(shí)，主要衍射峰將對(duì)應(yīng)CeO2相，此時(shí)薄膜無(wú)法完全結(jié)晶為石榴石相。隨后，通過(guò)改變外加磁場(chǎng)，在1 550 nm的波長(zhǎng)下，測(cè)試我們Ce摻雜濃度分別為1.0、1.2、1.4樣品的法拉第旋轉(zhuǎn)角度。測(cè)試結(jié)果如圖2（c）所示。在此波長(zhǎng)下，Ce1.4Y1.6Fe5O材料在磁化到飽和的情況下具有-6 000(°)/cm的法拉第旋轉(zhuǎn)角度。因此，Ce1.4Y1.6Fe5O12是構(gòu)建硅基集成磁光非互易器件較為理想的摻雜材料。

我們進(jìn)一步研究氧分壓對(duì)材料優(yōu)值的影響。圖2（d）給出了Ce∶YIG薄膜在不同Ce摻雜濃度及沉積氧分壓下的材料優(yōu)值。從圖中可以看出，同一Ce摻雜濃度的Ce∶YIG薄膜存在一個(gè)最優(yōu)的沉積氧分壓。當(dāng)小于該氧分壓時(shí)材料損耗增加，大于該氧分壓時(shí)材料法拉第旋光降低。通過(guò)尋找Ce1.4Y1.6Fe5O12最佳氧壓值，我們?cè)?66.6 kPa氧壓下得到Ce1.4Y1.6Fe5O12薄膜最大材料優(yōu)值為51（°）/dB，該值優(yōu)于Ce1Y2Fe5O12薄膜的37.5（°）/dB。以Ce1.4Y1.6Fe5O12為基礎(chǔ)，可以設(shè)計(jì)制備損耗更低、尺寸更小的磁光非互易光學(xué)器件。

2 集成磁光隔離器的設(shè)計(jì)

基于磁光非互易移相效應(yīng)可以構(gòu)建高性能的集成光隔離器。這一效應(yīng)是指，在與磁光波導(dǎo)中光傳播方向垂直的方向施加磁場(chǎng)，使光在正反向傳輸時(shí)的傳播常數(shù)不同。通過(guò)波導(dǎo)構(gòu)建馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（MZI）結(jié)構(gòu)、微環(huán)諧振器（MR）結(jié)構(gòu)或多模干涉儀（MMI）器件結(jié)構(gòu)等，可以利用這一效應(yīng)實(shí)現(xiàn)低損耗、高隔離度的集成磁光隔離器。

2.1 單片集成磁光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

基于單片集成技術(shù)路線(xiàn)設(shè)計(jì)的TM及TE模式磁光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖3（a）和圖3（b）所示。TM模式磁光波導(dǎo)是由硅波導(dǎo)及沉積在波導(dǎo)上表面的磁光材料薄膜（YIG/CeYIG）組成的。波導(dǎo)中的TM0模式模場(chǎng)分布如圖3（c）所示。在磁光材料層，由于存在沿y方向梯度分布的Hx場(chǎng)分量，在施加外磁場(chǎng)后，波導(dǎo)中正反向傳播的TM0模式傳播常數(shù)會(huì)不同，即能夠?qū)崿F(xiàn)TM模式的非互易相移。其非互易相移數(shù)值可由微擾理論公式計(jì)算得到：

▲圖3 單片集成磁光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及其模場(chǎng)分布

其中，ω是光的頻率，ε0是真空介電常數(shù)，γ是磁光材料介電常數(shù)張量的非對(duì)角元，n0是磁光材料的折射率。而TE模式的非互易相移計(jì)算公式為：

公式（2）不為0的條件是，磁光材料中存在沿x方向梯度分布的Ex場(chǎng)分量，即需要面內(nèi)方向磁光材料分布的不對(duì)稱(chēng)性。因此，磁光材料只能沉積于磁光波導(dǎo)單側(cè)側(cè)壁，波導(dǎo)中支持的TE0模式模場(chǎng)分布如圖3（d）所示。在完成磁光波導(dǎo)基本單元的設(shè)計(jì)后，我們還可以進(jìn)一步進(jìn)行磁光非互易器件的設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

2.2 MZI型磁光隔離器設(shè)計(jì)

MZI型磁光隔離器由兩個(gè)3 dB耦合器和包含非互易波導(dǎo)及互易波導(dǎo)的兩波導(dǎo)臂組成，其工作原理如圖4（a）所示。在光正向傳輸時(shí)，互易波導(dǎo)造成的兩波導(dǎo)臂相位差為π/2，同時(shí)非互易波導(dǎo)造成的兩波導(dǎo)臂相位差為-π/2，總相位差為0，兩束光干涉相長(zhǎng)可以正向透過(guò)；在光反向傳輸時(shí)，互易波導(dǎo)造成的兩波導(dǎo)臂相位差仍為π/2，但由于磁光非互易效應(yīng)，此時(shí)非互易波導(dǎo)造成的兩波導(dǎo)臂相位差為+π/2，總相位差為π，兩束光干涉相消導(dǎo)致反向截至。傳統(tǒng)MZI型磁光隔離器為使兩臂磁光非互易相移相疊加，通常需要在兩臂施加反向磁場(chǎng)。這增加了磁場(chǎng)集成的難度。此外，傳統(tǒng)MZI型磁光隔離器還存在磁光波導(dǎo)長(zhǎng)度較長(zhǎng)、器件尺寸較大等問(wèn)題。

基于上述問(wèn)題，我們提出如圖4（b）的優(yōu)化設(shè)計(jì)[12]。使用S型臂波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的好處包括兩方面：一方面，S型臂波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以使器件結(jié)構(gòu)更為緊湊，大大減小器件的尺寸；另一方面，這一特殊的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)也使兩波導(dǎo)臂中同時(shí)存在+z方向和-z方向傳播的波導(dǎo)段，通過(guò)在兩臂不對(duì)稱(chēng)的波導(dǎo)位置沉積磁光材料，在x方向上施加單向磁場(chǎng)即可實(shí)現(xiàn)兩波導(dǎo)臂中磁光非互易相的疊加，大大降低了施加磁場(chǎng)的難度。

2.3 TM模式微環(huán)型磁光隔離器設(shè)計(jì)

微環(huán)型隔離器是根據(jù)在正反向傳輸時(shí)，微環(huán)的諧振波長(zhǎng)不同所構(gòu)建的。正向傳輸時(shí)，由于相位不匹配，能量不能耦合進(jìn)微環(huán)，光可以正向透過(guò)；反向傳輸時(shí)，滿(mǎn)足微環(huán)的諧振條件，能量進(jìn)入微環(huán)并通過(guò)散射及材料吸收耗散，導(dǎo)致光反向截止。通過(guò)對(duì)單片集成的TM模式微環(huán)型磁光隔離器進(jìn)行損耗分析，我們發(fā)現(xiàn)器件損耗的兩大主要來(lái)源：（1）沉積于磁光波導(dǎo)側(cè)壁的Ce∶YIG/YIG磁光材料，相較于在波導(dǎo)上表面結(jié)晶性較差，不僅不能增強(qiáng)磁光非互易移相效應(yīng)，反而會(huì)造成相當(dāng)大的吸收損耗；（2）單模波導(dǎo)與磁光波導(dǎo)連接處的模式失配，會(huì)造成大量的耦合損耗。

為消除上述兩大損耗來(lái)源，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖4（c）所示的TM模式微環(huán)型磁光隔離器[13]。在Ce∶YIG材料上生長(zhǎng)GeSbSe材料，并通過(guò)微細(xì)工藝將其圖形化作為波導(dǎo)芯層，可使磁光材料僅出現(xiàn)在特定位置波導(dǎo)的下表面，進(jìn)而消除側(cè)壁磁光材料帶來(lái)的吸收損耗。同時(shí)，我們采用灰度曝光，構(gòu)建如圖4（d）所示的垂直絕熱漸變結(jié)構(gòu)，以匹配單模波導(dǎo)與磁光波導(dǎo)中的模式，從而消除由于模式失配造成的耦合損耗。

3 硅集成磁光隔離器性能

3.1 硅集成磁光隔離器結(jié)構(gòu)表征

TM及TE模式MZI型器件光顯圖如圖 5（a）和圖5（c）所示。器件兩端使用基于多模干涉原理的3 dB耦合器，其中長(zhǎng)條形區(qū)域?yàn)榇殴獠牧铣练e窗口結(jié)構(gòu)。圖5（b）和圖5（d）為T(mén)M及TE模式磁光波導(dǎo)截面的掃描電子顯微鏡（SEM）圖，其中紫色為Si波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，綠色為磁光材料薄膜。磁光波導(dǎo)實(shí)際結(jié)構(gòu)與仿真模型相吻合[12]。

▲圖4 優(yōu)化設(shè)計(jì)的MZI型磁光隔離器和TM模式微環(huán)型磁光隔離器結(jié)構(gòu)[13]

▲圖5 硅基集成磁光隔離器的結(jié)構(gòu)表征

圖5（e）為基于灰度曝光工藝制備的TM模式微環(huán)型磁光隔離器光顯圖，其中綠色區(qū)域SiO2下包層，黃色區(qū)域?qū)?yīng)Ce∶YIG下包層，兩層通過(guò)垂直漸變結(jié)構(gòu)過(guò)渡連接。圖5（f）為SiO2下包層區(qū)域波導(dǎo)橫截面示意圖[13]。

3.2 硅集成磁光隔離器性能表征

在完成器件制備后，我們進(jìn)行硅基集成的TM及TE模式MZI型和微環(huán)型磁光隔離器的性能表征。

對(duì)于MZI型磁光隔離器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，我們給出了在紅外波段測(cè)試TM及TE模式器件的正向及反向傳輸曲線(xiàn)，如圖6（a）和圖6（b）所示。其中，黑色曲線(xiàn)為用于判斷插入損耗的直波導(dǎo)傳輸曲線(xiàn)，紅、藍(lán)曲線(xiàn)分別代表器件的正向及反向傳輸譜線(xiàn)。TM模式器件在1 574.5 nm波長(zhǎng)處，插入損耗約為5 dB，隔離度約為30 dB。TE模式器件在1 588 nm波長(zhǎng)處插入損耗約為9 dB，隔離度約為30 dB。由于器件加工誤差，器件的正向傳輸最高點(diǎn)與反向傳輸最低點(diǎn)不在同一波長(zhǎng)，因此引入了額外的插入損耗[12]。對(duì)于采用基于灰度曝光工藝的TM模式微環(huán)型磁光隔離器，傳輸譜線(xiàn)如圖6（c）所示，其中，紅色、藍(lán)色曲線(xiàn)分別代表器件的正向及反向傳輸譜線(xiàn)。器件在諧振波長(zhǎng)工作時(shí)，相應(yīng)的插入損耗僅為3 dB，隔離度高達(dá)40 dB[13]。同樣地，通過(guò)側(cè)壁沉積的工藝路線(xiàn)，我們?cè)诘杌咨现苽銽E模式微環(huán)型磁光隔離器，其性能如圖6（d）所示。該器件在諧振波長(zhǎng)工作時(shí)，插入損耗約為11.5 dB，隔離度為20 dB[12]。

3.3 同類(lèi)型器件間的性能對(duì)比

表1給出了本工作與其他同類(lèi)寬帶磁光隔離器的性能對(duì)比。對(duì)于TM模式寬帶磁光隔離器，我們證明了單片集成的可行性，并獲得了不錯(cuò)的器件性能。TE模式寬帶磁光隔離器目前仍存在較高的插入損耗，這主要是由器件加工誤差造成的。因此，急需進(jìn)一步的設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化，以進(jìn)一步提高相關(guān)器件的性能。

▲圖6 硅集成磁光隔離器的性能表征

▼表1 紅外波段寬帶磁光隔離器性能對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

硅基磁光非互易器件的集成是硅基光電子技術(shù)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。器件性能的提升需要同時(shí)從磁光材料的異質(zhì)異構(gòu)集成和非互易器件的設(shè)計(jì)及制備兩方面進(jìn)行優(yōu)化。提高Ce∶YIG磁光材料薄膜中Ce的摻雜比，同時(shí)控制材料沉積過(guò)程中的氧壓，可以進(jìn)一步提高材料優(yōu)值，這將為設(shè)計(jì)小型化、高性能的集成磁光非互易器件提供材料基礎(chǔ)。在器件設(shè)計(jì)中，盡量避免器件結(jié)構(gòu)帶來(lái)的模式失配和不必要的磁光材料吸收，可以大幅減小器件整體插入損耗。此外，合理優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)可以有效減小器件尺寸。未來(lái)面臨的最大挑戰(zhàn)是磁光器件的工藝兼容性問(wèn)題，因此需要發(fā)展后端兼容的材料單片集成方法?；谶@一技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，我們相信，低成本、小型化、高性能的硅基集成磁光隔離器，有望在不久的將來(lái)走向?qū)嶋H應(yīng)用。