随着光通信技术与光子集成电路的发展, 非互易性器件作为光通信系统中重要的组成部分得到了越来越广泛的研究与应用。基于磁光效应制成的磁光隔离器和环行器是目前应用最为广泛的非互易性器件, 为了将非互易性器件整块集成在硅片上, 需制备性能与块状磁光材料相当的磁光薄膜。在近红外通信波段(1 550 nm), 以钇铁石榴石(Y3Fe5O12, YIG)为代表的稀土铁石榴石(RIG)具备优良的磁光效应, 是最具应用前景的磁光材料之一。研究发现, 使用稀土离子对YIG薄膜进行掺杂可以有效改善其磁光性能, 尤其是Bi3+和Ce3+掺杂的YIG表现出巨法拉第效应。本文首先介绍了法拉第效应原理, 介绍了三种常见磁光薄膜的生长方法, 回顾了近年来的主要研究成果, 介绍了磁光薄膜在光隔离器和环行器中的应用, 最后对磁光薄膜的未来发展趋势进行了展望。

随着光通信和高功率激光技术等领域的发展，磁光隔离器得到了越来越广泛的研究和应用，推动了磁光材料尤其是磁光晶体的发展。目前已经发展了多 种新型磁光晶体，同时为了满足大功率激光的需求，需要不断提高磁光晶体尺寸和光学品质。本文首先介绍了法拉第磁光效应及应用，然后介绍了稀土正铁氧 体、稀土钼酸盐、含铽铌酸盐、钇铁石榴石、含铽石榴石磁光晶体及部分种类磁光陶瓷的研究进展，最后对磁光晶体的未来进行了展望。

构建了一种介质层与磁性层交替排列的一维磁光光子晶体,结构中间缺陷层采用介质材料。在缺陷层两侧分别施加方向相反的磁场,该结构能实现电磁波的非互易性传输。运用修正后的传输矩阵法计算分析结构的透射谱,研究结果表明,当缺陷层的厚度变化时,在一定的波长范围内,光子晶体光子禁带中会出现多个非互易通道,且缺陷层的厚度越大,相邻通道的间距越小,禁带中所能容纳的通道数目越多。当缺陷层厚度为7500 nm时,光子禁带中非互易通道数可达7。所设计的光子晶体结构有望用来制作多通道光隔离器,在密集波分复用光通信技术以及集成光路等领域得到应用。

设计了一种通过调节减少损伤的双级偏振无关光隔离器。通过推导得出了双折射晶体与旋光晶体的间距d与光隔离器输出端o光与e光的间距Δh的函数关系, 而Δh直接影响光纤准直器单位面积上的能量密度, 进而影响光隔离器的抗损伤能力。设计了一种可调光隔离器结构实现这一功能。调节实验证明, 隔离器工作性能稳定, 并防止了在高功率下光隔离器的损伤。

采用4×4传输矩阵法研究了复合一维磁光子晶体隔离器的特性,当外加磁场与光路光轴方向夹角为19.95°时,用20.16 μm的总厚度实现了中心波长附近3.1 nm的宽带光隔离,当光线入射角为3.9°时,仍可实现1.06 nm的宽带滤波,且其透射谱平坦性良好.该光隔离器可以同时满足隔离宽度、透射谱平坦性以及对光线入射角宽容性的要求,在实际运用中具有重要的实用价值.

文章采用4×4传输矩阵法研究了两种一维磁光子晶体结构的宽带光隔离特性.结构一在外加磁场与光路光轴方向呈41.0°角时, 用22.90μm的总厚度实现了3nm的宽带光隔离, 且在宽带范围内法拉第旋转角和透射率分别在45°~48.89°和99.86~99.95%之间波动, 此结构在宽带范围内均可实现稳定的光隔离; 结构二在外加磁场与光路光轴方向平行时, 用18.61μm的总厚度实现了1nm的宽带光隔离, 且在宽带范围内法拉第旋转角和透射率分别在45.83°~45.89°和98.53~98.78%之间波动, 此结构无需调节外加磁场角度即可实现光隔离.

为实现高效的光学隔离器,设计了两边镀金属薄膜带缺陷的一维磁光光子晶体系统,并用修正的特征矩阵法研究了它的传输特性.在磁光光子晶体微腔缺陷模式与金属等离子体产生耦合共振的条件下,该结构呈现单向传输的特征.隔离器的传输性能依赖于光的入射角度、微腔和两侧金属薄膜的厚度;在入射角为45°,微腔和金属薄膜厚度分别为449 nm和150 nm时光隔离器具有较好的性能.

基于Halbach阵列永磁体的特点以及光隔离器对磁场的需求,设计了两种适用于高功率隔离器的永磁系统, 分析了其磁场分布、磁场非均匀性对隔离度的影响, 研究了磁体装配误差对磁场的影响。研究结果表明: 通过引入斜向磁化永磁体, 选择合适的磁化角度和磁体长度, 可以提高永磁体的磁场强度, 大幅度减小旋转器所需磁光晶体长度；受磁场非均匀性影响的隔离度与磁光晶体的孔径、长度以及入射激光的光斑半径有关, 当晶体长度一定时, 减小晶体半径和入射光的半径可以显著提高隔离度。在入射光半径为1.5 mm、磁光晶体半径5 mm时, 对应的隔离度分别为105.8 dB和45.4 dB。

采用4×4传输矩阵法研究了两种结构一维磁光子晶体的光隔离特性.结构一在外加磁场与光路光轴方向呈52.0°时,用7.96 μm的总厚度在中心波长附近0.95 nm范围内实现了光隔离,在此范围之内法拉第旋转角和透射率分别在45°~50.65°和97.01%~99.96%之间波动,结构仅包含43层光学薄膜,易于实际制备;结构二在外加磁场与光路光轴方向呈32.7°时,用11.54 μm的总厚度在中心波长附近0.85 nm范围内实现了光隔离,在此范围之内法拉第旋转角和透射率分别在45°~48.55°和98.85%~100%之间波动,结构包含73层光学薄膜,与结构一相比,该结构具有更高的透射率和更平坦的光谱.用这两种结构的一维磁光子晶体代替目前商用磁光隔离器中的块状磁光介质,可实现磁光隔离器的集成化.

研制了一种高均匀性、小型化的法拉第磁光隔离器，用于780 nm波长的光路中，并对设计方案进行了数值模拟和验证。采用了新颖的三段式“π”形磁体的组合设计方案， 提高了剩磁利用率。隔离器整体体积为52 cm3，其中磁体体积为18 cm3，是相当小的。它的通光孔径为5 mm，隔离比为34.6 dB，透过率为90.9%。与之类似的 “II”型磁体体积更小，磁场均匀性稍差，也是可行的设计方案。成品隔离器比商用隔离器磁场均匀度更高，体积更小，隔离比更高，可以有效满足研发中的冷原子平台的 小型化、高精度需求。