稀土铁石榴石薄膜/晶体复合结构的制备及其光通信波段的磁光性能

论文摘要

本文以稀土铁石榴石为主,综述了磁光材料的发展和研究现状、着重介绍了在光通信器件中的应用。高速大容量光通信系统的发展对磁光材料的带宽和温度稳定性提出了更高的要求。用两种具有相反符号的法拉第旋转波长系数（FWC）和温度系数（FTC）的稀土铁石榴石材料（TbIG和YbIG）进行复合,制备FWC和FTC很小的TbYbBiIG石榴石晶体,在该石榴石块状晶体上外延一层TbBiGaIG石榴石薄膜,制备TbBiGaIG薄膜/TbYbBiIG晶体复合结构,利用薄膜在补偿温度点上下温区其法拉第旋转方向相反的特点,来进一步改善基底TbYbBiIG晶体的FTC,以求获得同时具有FWC和FTC极小的磁光材料。 以Bi2O3为主助熔剂改进的高温助熔剂法制备了一系列掺铋复合稀土铁石榴石（TbYbBi）3Fe5O12块状晶体,用XRD,EDS等方法进行了结构和成份分析,确定生长的工艺条件和成份配比。然后,以沿（110）定向的（TbYbBi）3Fe5O12块状晶体为基底,以PbO为助熔剂采用液相外延（LPE）方法生长掺Bi稀土铁石榴石单晶薄膜TbBiGaIG,制备了TbBiGaIG薄膜/TbYbBiIG晶体复合结构,用XRD,SEM等测试分析了薄膜定向生长情况。自行组建了1500-1620nm光通信波段磁光法拉第旋转测试装置,并对晶体和薄膜/晶体复合结构进行了法拉第旋转波长系数和温度系数等磁光性能研究。 研究发现:通过两种具有相反符号的FWC和FTC的稀土铁石榴石TbIG和YbIG相复合,获得了很小的FWC和FTC、小的饱和磁化强度、低的光吸收损耗的磁光材料;制备的TbBiGaIG薄膜/TbYbBiIG晶体复合结构,在补偿温度点上下温区的法拉第旋转方向相反的TbBiGalG薄膜,进一步改善了基底TbYbBiIG晶体的FTC,发现对晶体的FWC和法拉第旋转角以及光吸收损耗几乎无影响。薄膜/晶体复合结构材料可以用于宽带光通信波段温度稳定的高性能磁光器件。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 磁光效应
• 1.2.1 法拉第效应宏观理论
• 1.3 磁光材料发展概述
• 1.4 稀土铁石榴石型磁光材料发展及研究现状
• 1.5 稀土铁石榴石型磁光材料
• 1.5.1 石榴石型材料结构与元素替代
• 1.5.2 稀土铁石榴石材料的磁学性质
• 1.5.3 稀土铁石榴石材料的磁光性质
• 1.5.4 稀土铁石榴石材料的制备方法
• 1.6 稀土铁石榴石材料的应用—磁光器件
• 1.6.1 磁光隔离器
• 1.6.2 磁光环行器
• 1.6.3 磁光开关
• 1.6.4 磁光波导薄膜器件
• 1.6.5 磁光传感器
• 1.6.6 磁光记录
• 1.7 本课题的提出
• 第二章 实验过程和实验方法
• 2.1 晶体生长—助熔剂法
• 2.1.1 助熔剂法制备单晶过程
• 2.1.2 单晶生长设备简介
• 2.1.3 助熔剂的选择
• 2.1.4 温度梯度的控制
• 2.1.5 加速坩埚旋转技术（ACRT）
• 2.2 石榴石薄膜生长—液相外延生长
• 2.2.1 薄膜制备过程
• 2.2.2 外延设备简介
• 2.2.3 基片处理
• 2.3 物相分析与磁光性能表征
• 2.3.1 X射线衍射分析（XRD）
• 2.3.2 SEM分析
• 2.3.3 饱和磁化强度测定（VSM）
• 2.3.4 磁光法拉第旋转测定方法
• 2.3.5 材料磁光性能的确定
• 第三章 掺铋稀土铁石榴石制备及其法拉第旋转温度和波长特性
• 3.1 掺铋复合稀土铁石榴石晶体生长及其法拉第旋转温度和波长特性
• 3.1.1 近红外波段稀土铁石榴石法拉第旋转温度和波长特性的研究
• 3Fe₅O₁₂单晶相图考虑'>3.1.2 生长（TbYbBi）₃Fe₅O₁₂单晶相图考虑
• 3Fe₅O₁₂单晶生长与成份和结构分析'>3.1.3 （TbYbBi）₃Fe₅O₁₂单晶生长与成份和结构分析
• 3.1.4 晶体生长过程考虑
• 3Fe₅O₁₂单晶的磁光性能'>3.1.5 （TbYbBi）₃Fe₅O₁₂单晶的磁光性能
• 3Fe₅O₁₂单晶法拉第旋转谱的理论模型计算与解释'>3.1.6 （TbYbBi）₃Fe₅O₁₂单晶法拉第旋转谱的理论模型计算与解释
• 3.2 掺铋稀土铁石榴石薄膜／晶体复合结构制备及其法拉第旋转温度和波长特性
• 3.2.1 掺铋稀土铁石榴石薄膜／晶体复合结构改善法拉第温度特性的分析
• 3（FeGa）₅O₁₂薄膜的相图考虑'>3.2.2 生长（TbBi）₃（FeGa）₅O₁₂薄膜的相图考虑
• 3（FeGa）₅O₁₂薄膜生长工艺与成份和结构分析'>3.2.3 （TbBi）₃（FeGa）₅O₁₂薄膜生长工艺与成份和结构分析
• 3（FeGa）₅O₁₂薄膜／（TbYbBi）₃Fe₅O₁₂晶体复合结构的磁光性能'>3.2.4 （TbBi）₃（FeGa）₅O₁₂薄膜／（TbYbBi）₃Fe₅O₁₂晶体复合结构的磁光性能
• 第四章 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及专利情况
• 致谢