小型磁光隔离器迎来进展：利用激光退火制造透明磁性材料的新方法
发布时间：2023-12-15 04:00:04 阅读数： 287
日本东北大学（Tohoku University）和日本丰桥技术科学大学（Toyohashi University of Technology）的研究人员开发出了一种利用激光加热制造透明磁性材料的新方法，这是光学技术领域的一项重大进展。这一突破最近发表在《Optical Materials》上，它为磁光材料与光学设备的集成提供了一种新方法，而这正是该领域长期面临的挑战。
图 1. 用于 Ce:YIG 薄膜选择性结晶的真空激光退火装置。资料来源：Hibiki Miyashita 等人，《Vacuum laser annealing of magnetooptical cerium-substituted yttrium iron garnet films》，《Optical Materials》（2023）。
日本东北大学电气通信研究所（RIEC）副教授、本研究报告的共同作者Taichi Goto表示：这一成果的关键在于利用专门的激光加热技术制造出了透明磁性材料Ce:YIG。这种方法解决了将磁光材料与光电路集成而不损坏光电路的关键难题--这个问题阻碍了光通信设备小型化的发展。
磁光隔离器对于确保稳定的光通信至关重要。它们就像光信号的交通指挥器，允许光信号朝一个方向移动，但不能朝另一个方向移动。由于通常涉及高温工艺，将这些隔离器集成到硅基光子电路中具有挑战性。
面对这一难题，Goto和他的同事们将注意力集中到了激光退火技术上--通过激光选择性地加热材料的特定区域。这样可以实现精确控制，只影响目标区域而不影响周围区域。以前的研究曾利用这种方法选择性地加热沉积在介质反射镜上的Bi:YIG薄膜。这使得 Bi:YIG 结晶而不影响介质反射镜。
然而，Ce:YIG 因其磁性和光学特性而成为光学器件的理想材料，但在使用这种材料时，由于暴露在空气中会导致不必要的化学反应，因此出现了一些问题。为了避免这种情况，研究人员设计了一种新装置，利用激光在真空中加热材料。这样就可以在不改变周围材料的情况下对小区域（约 60 μm）进行精确加热。
图 2. 激光退火表面的显微图像。(a) 激光光斑大小为 60 μm 的离散退火表面，光斑间距为 120 μm。(b) 连续退火表面，光斑间距为 60 μm，覆盖整个表面。资料来源：Hibiki Miyashita 等人，《Vacuum laser annealing of magnetooptical cerium-substituted yttrium iron garnet films》，《Optical Materials》（2023）。
图 3. (a) 利用掠入射 XRD 对激光退火的 Ce:YIG 薄膜进行结构分析。入射角为 ω = 0.7°。样品温度变化。黑色三角形表示所指 YIG 的峰值位置 [33]。(b) (a) 中突出峰值附近的扩展图。资料来源：Hibiki Miyashita 等人，《Vacuum laser annealing of magnetooptical cerium-substituted yttrium iron garnet films》，《Optical Materials》（2023）。
图 4：(a) 波长为 532、1064 和 1550 nm时真空激光退火的 Ce:YIG 薄膜的法拉第旋转角 (FR) 和法拉第椭圆度 (FE) 角环。减去了二氧化硅基底的影响。样品温度保持在 40 °C。资料来源：Hibiki Miyashita 等人，《Vacuum laser annealing of magnetooptical cerium-substituted yttrium iron garnet films》，《Optical Materials》（2023）。
图 5. (a) 包括硅衬底在内的真空激光退火 Ce:YIG 薄膜的透射率光谱。黑线为测量数据，红线为拟合数据。(b) 根据 (a) 所示拟合数据估算的 Ce:YIG 薄膜和二氧化硅基底的折射率和 (c) 消光系数光谱。资料来源：Hibiki Miyashita 等人，《Vacuum laser annealing of magnetooptical cerium-substituted yttrium iron garnet films》，《Optical Materials》（2023）。
图 6：(a) 真空激光退火 Ce:YIG 薄膜的检测 XPS。(b) Fe 2p、(c) Ce 3d、(d) Y 3d 和 (e) O 1s 的 XPS 曲线。黑线表示测量数据。蓝线表示拟合数据。其他线条表示分析结果。资料来源：Hibiki Miyashita 等人，《Vacuum laser annealing of magnetooptical cerium-substituted yttrium iron garnet films》，《Optical Materials》（2023）。
Goto表示说：通过这种方法制造出的透明磁性材料有望极大地促进小型磁光隔离器的发展，这对稳定的光通信至关重要。此外，它还为制造功能强大的微型激光器、高分辨率显示器和小型光学设备开辟了道路。
参考论文：《Vacuum laser annealing of magnetooptical cerium-substituted yttrium iron garnet films》，《Optical Materials》（2023）
