磁损耗薄膜波导中静磁波与导波光的相互作用

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1、上海交通大学博士学位论文磁损耗薄膜波导中静磁波与导波光的相互作用姓名：张文康申请学位级别：博士专业：凝聚态物理指导教师：刘公强20030120上海交通大学博士学位论文摘要磁损耗薄膜波导中静磁波与导波光的相互作用摘要静磁波是一种在磁性介质中传播的慢色散波也是一种微波频段的电磁波静磁波与导波光的相互作用可导致导波光的模式转换或衍射效应利用这一原理可做成滤波器频谱分析器等微波信号处理装置和光开关光调制器光频移器等磁光波导器件这类基于静磁波的磁光器件与声光器件相比有如下优点可通过改变直流偏置磁场扩大载波频率范围可实现更

2、高的调制/开关和扫描速度等由于导波光的模式转换效率比较低这类器件在实用化方面仍然比不上电光器件和声光器件因此如何提高导波光的模式转换效率是设计人员需要解决的非常重要的问题虽然许多作者对静磁波的激发和传播特性以及静磁波与导波光的相互作用进行了研究但仍有许多问题需要研究在磁光波导器件中使用掺铋钇铁石榴石(Bi-YIG)薄膜是提高导波光模式转换效率的一个有效的方法但Bi-YIG薄膜具有较大的感生单轴各向异性,因此Bi-YIG薄膜中感生单轴各向异性对静磁波激发和传播的影响以及对导波光模式转换效率的影响应当被考虑另一个很

3、有效的提高导波光模式转换效率的方法是使用双磁性层结构由于双磁性层波导中计算静磁波传播损耗和耦合损耗的复杂性双磁性层波导中静磁波激发特性(辐射阻抗插入损耗)的研究仍然是空白此外人们在研究静磁波与导波光的相互作用时都没有考虑静磁波插入损耗的影响一些作者将静磁波的功率或交变磁化强度作为已知条件另一些作者将微带线电流作为已知条件在实际器件中能够直接控制的参量是射频输入功率因此在理论计算中应当将输入功率作为已知条件并应考虑微带换能器的耦合损耗及静磁波的传播损耗本文对上面提到的问题进行了比较系统的理论研究全文共分为五章,这

4、里谨将具体的研究结果概要叙述如下:第一章回顾了静磁波理论和器件以及静磁波与导波光相互作用理论和器件的研究现状并指出了需要进一步研究的问题i上海交通大学博士学位论文摘要第二章研究了单层Bi-YIG薄膜波导中静磁体波的激发和传播特征并考虑了两种配置即正向体波和后向体波配置以及正向体波和表面波配置本文首次研究了感生单轴各向异性对静磁体波群延迟辐射阻抗和插入损耗的影响数值计算结果表明感生单轴各向异性对静磁体波的激发和传播特征有显著的影响在适当的倾斜磁场下感生单轴垂直各向异性能够降低静磁体波的色散提高激发效率增加激发带宽

5、和降低插入损耗因此对于静磁波器件和基于静磁波的磁光器件感生单轴各向异性是一个重要的控制参数第三章研究了单层磁性薄膜波导中静磁体波与导波光的非共线相互作用静磁波与导波光的相互作用可以归因于一个由饱和磁化强度和静磁波的交变磁化强度引起的附加介电系数张量导波光学中的耦合模理论是研究静磁波与导波光相互作用的基础因此本文首先对附加介电系数张量和静磁波与导波光相互作用的耦合模方程进行了总结然后利用耦合模方程并且在考虑静磁体波插入损耗的情况下导出了静磁体波交变磁化强度振幅和导波光模式转换效率的表达式最后针对Bi-YIG和YI

6、G薄膜波导进行了数值计算计算结果表明感生单轴各向异性对静磁后向体波与导波光的相互作用有显著的影响特别是单轴垂直各向异性有助于提高导波光的衍射效率和增加磁光耦合带宽第四章在考虑磁损耗的情况下对双磁性层波导中的静磁后向体波的激发特征辐射阻抗耦合损耗和传播特征色散传播损耗进行了系统的研究重点分析了波导结构参数(两个磁性层厚度和间隔层厚度)对静磁后向体波的传播常数衰减常数辐射阻抗和插入损耗的影响计算结果表明在双层结构中具有较大厚度的磁性层对传播常数和衰减常数的影响较大通过适当选择两个磁性层的厚度和间隔层厚度色散和衰减常

7、数能显著地降低静磁后向体波的激发特征不仅与两个磁性层和间隔层的参数有关而且与微带换能器的位置和几何参数有关此外在双磁性层结构中静磁后向体波的传播损耗远小于耦合损耗因此静磁波的激发变成限制带宽的主要机制这个结论与单磁性层结构中的结论是相反的ii上海交通大学博士学位论文摘要第五章研究了双层磁性薄膜波导中静磁后向体波与导波光的非共线相互作用首先在考虑静磁后向体波插入损耗的情况下导出了双层磁性薄膜波导中静磁后向体波交变磁化强度的表达式和导波光模式转换效率的表达式然后计算了导波光模式转换效率的频率响应曲线分析了波导结构参

8、数对模式转换效率和磁光耦合带宽的影响并与单磁性层结构进行了比较在双磁性层结构中光传播层的厚度可以选取较小的值这样可以获得导波光的单模传输并增加导波光的横向电场与静磁波的交变磁化强度之间的交叠积分进而提高导波光的模式转换效率另一磁性层的厚度可以选取较大的值这样可以增加磁光耦合带宽间隔层厚度不宜太大太大的间隔将显著降低磁光耦合带宽关键词磁光效应磁光带宽静磁波导波光模式转换效率磁性薄膜iii