基于硅上集成多晶钇铁石榴石薄膜的损耗机理和磁光性能研究

Silicon photonic system is a candidate for next generation high bandwidth, low power consumption interconnects. However, as an important component of optical systems, nonreciprocal photonic devices are still lacking in monolithically integrated devices on silicon, which severely undermined the whole system integration and development. This project mainly focuses on polycrystalline yttrium iron garnet thin films on silicon.We propose to systematically study the integration method, defect doping, loss mechanism and magneto-optical properties of polycrystalline YIG/doped YIG thin films. We also propose to construct new test structure based on optical waveguides and ring resonators, to accurately determine the material optical loss and Faraday constant; clarify the loss origin; establish the physical relation between magneto-optical properties and defect chemistry; create guidance to develop new integration methodology and defect doping strategy; and finally resolve the long-standing chanllege of integrating high figure of merit magneto-optical films on silicon. This project will clarify the physical origin of optical loss and magneto-optical effects in polycrystalline magnetic garnet thin films, develop new materials with high magneto-optical figure of merit, and prepare polycrystalline magneto-optical thin films for on-chip integration of nonreciprocal photonic devices.

硅光电系统是下一代高带宽、低能耗的互联技术之一。然而作为系统的重要组成部分，非互易光学器件，一直未能实现硅上单片集成，严重影响了系统的发展。　本项目主要以硅上单片集成的多晶YIG（钇铁石榴石）薄膜为研究对象,拟开展薄膜集成工艺，缺陷掺杂，损耗机理和磁光性能的系统研究；并采用基于光波导和光谐振器的表征方法，精确测量薄膜损耗和法拉第旋光，澄清材料损耗机理，建立磁光性能与缺陷化学的物理联系，指导多晶YIG薄膜的集成工艺和掺杂改性，最终力争解决高优值磁光材料在硅上单片集成的难题。本项目的开展将阐明多晶钇铁石榴石薄膜光学损耗和磁光特性的物理根源，发展高优值的多晶磁光薄膜新材料，为硅上集成非互易光学器件奠定材料基础。

非互易光学材料和器件是光学系统的核心材料和元器件, 实现此类光学薄膜材料和器件的硅上单片集成是硅光电系统尚未解决的关键问题。本项目围绕这一关键问题，在硅集成磁光非互易光学材料领域开展研究。针对硅集成磁光薄膜材料损耗机理来源不清，材料磁光性能弱，光学损耗高，材料磁各向异性调控难，薄膜材料磁光效应难以准确测试等问题开展了一系列研究工作，取得了下述主要研究成果：. 1. 通过第一性原理计算和材料表征，澄清了目前硅集成非互易光学器件的主流材料：Ce:YIG薄膜材料的磁光效应来源于Ce3+离子4f能级与四面体Fe3+离子3d能级间的电子偶极跃迁，建立了材料在近红外光通信波段光学损耗与氧空位浓度的定量关系。2. 通过制备工艺优化和基于光波导的材料损耗表征，获得了磁光效应优于外延Ce1Y2Fe5O12薄膜30%的多晶Ce1.5Y1.5Fe5O12薄膜制备，发展了在1550 nm波长损耗为20 dB/cm的硅集成Ce1Y2Fe5O12薄膜的制备方法，薄膜损耗与外延薄膜相当，基本解决了硅上集成高优值磁光薄膜材料的技术难题，为器件集成做好了准备。3. 通过Mn3+, Dy3+等离子掺杂，实现了材料磁各向异性调控，实现了沿薄膜法线方向易磁化的硅集成磁光CeYIG多晶薄膜，为TE模式非互易相移器件奠定了材料基础。4. 发展了基于CeYIG薄膜的磁光等离光学波导，采用此器件结构精确测试了薄膜材料的磁光效应，并实现了基于此器件高灵敏度化学生物传感。5. 基于硅集成CeYIG薄膜，设计了一种多模干涉型磁光隔离器件，为进一步将材料应用于材料超小型非互易光学器件奠定了基础。. 项目执行期间，课题组在ACS Appl. Mater. Interf., Appl. Phys. Lett., Opt. Express等SCI期刊上发表学术论文18篇，其中标注本项目资助论文12篇。申请国家发明专利4项。项目负责人在国际国内会议上作主题报告1次，特邀报告5次，3次担任国际会议分会主席。课题组研究生和博士生在国际会议上作口头和展板报告12人次，1人次获2015 MRS秋季会议最佳展板提名，1名研究生于2015年顺利毕业。