磁光波导中的磁光效应原理与应用

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引言
! b  M6 C- W0 N; o0 a* X( U, }磁光波导是一类结合了波导功能和磁场控制能力的光学器件。这类结构可用于光调制器、非互易元件和磁场传感器等应用。本文探讨磁光波导器件的基础物理原理和实际应用[1]。
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磁光波导中的导向模式
' o' s7 {" ]! f0 {. [. G磁光波导中光的传播可以从最简单的情况开始分析：由两个包层夹着一个磁性核心层构成的平面波导。在各向同性非磁性材料中，存在两种基本模式类型：横电(TE)模式和横磁(TM)模式。这些模式具有不同的传播常数和电磁场分布。当有效折射率位于核心层和包层材料折射率之间时，光在核心层中传播受到限制。
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# r( [; Y+ v4 n9 {2 g图1：磁光波导中磁化方向相对于光传播方向的不同配置。
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( n2 w2 j7 t# u3 E5 v) v当引入磁化时，材料变为旋光性材料，其介电常数张量具有非对角分量。根据磁化方向的不同，会产生几种重要效应：

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5 f" {0 U( v! N: h. e4 g图2：(A)退磁（多畴）状态下的纯TE/TM模式和(B)纵向磁化状态下具有正交场分量的混合模式的比较。
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$ n9 T, g% D+ d对于极向和纵向配置，当磁化具有沿传播方向的分量时，模式变为具有混合TE-TM极化的混合模式。电磁场可以表示为具有不同极化的四个波的叠加。这导致在非磁性波导中不存在的模式转换效应。

对于横向磁化（垂直于传播方向和膜法线），仅TM模式通过传播常数的修改受到影响。这产生了非互易传播，其中正向和反向传播的波经历不同的相移。

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  Q/ k0 {- ?, s. s, N! o2 o平面波导中的磁光效应
( R$ C1 D! v# K; J$ ]平面波导中导向模式与磁化的相互作用产生了显著的光传播效应。通过磁旋光性实现TE和TM模式之间的耦合而产生模式转换。这种转换可以通过周期性磁性结构（级联波导）或将旋光性和各向异性材料结合在多层结构中得到增强。

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图3：正向和反向波TM模式传播常数的非互易位移随磁性膜厚度的变化。

非互易相移是另一个重要现象，正向和反向传播的波经历不同的传播常数。这种效应在半泄漏波导中特别明显，构成了许多实际应用的基础。
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法拉第旋转效应（使光的偏振面旋转）在波导结构中比体材料显著增强。这种增强是由于磁性层中增加的相互作用长度和场约束造成的。
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& f  E- H7 f, L+ I磁光波导的应用

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图4：基于马赫-曾德尔干涉仪的磁光波导隔离器示意图。
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& j3 V. t) E- n4 \3 T' ?图5：覆盖Co层的GaAlAs光学波导横截面，显示核心层、缓冲层和包层。
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, p# A/ J' U" b# j: Y, s6 z磁光波导在光隔离器和环行器中有广泛应用。这些器件利用非互易效应允许光在单一方向传播，对减少光学系统中的不需要的反射非常重要。近期的发展包括使用铋取代铽铁膜的硅基集成隔离器，以及与硅和氮化硅平台兼容的宽带隔离器。包含磁性金属的混合隔离器也显示出良好的结果。
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在磁场传感领域，磁光波导实现了高灵敏度磁测量应用。对磁场的增强灵敏度使检测能力达到飞米特斯拉量级。矢量磁力计系统可以通过共振增强同时测量三个场分量，具有高信噪比。

6 B& i! W( J+ ~( M( ^新兴的光磁子器件领域利用磁光波导通过光脉冲控制自旋波。这些结构实现了磁子模式的局部激发和频率可调的自旋波产生，为快速磁化开关和信息处理提供了新方法。
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$ H6 K+ X& @' e最近在制造技术方面的进展显著提高了器件集成能力。磁性石榴石直接键合到半导体衬底和溅射沉积方法使更紧凑和高效的器件成为现实。这些技术改进继续推动需要磁性功能的新一代集成光电子系统的发展。
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参考文献
[1] D. O. Ignatyeva, O. V. Borovkova, D. M. Krichevsky, and V. I. Belotelov, "Magnetooptical effects in optical waveguides," in On-Chip Photonics, Elsevier, 2024, ch. 13, pp. 439-461.
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