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磁光器件在光通信和光传感等领域有着广泛的应用,但目前多数磁光器件的体积比较大,不利于大规模集成。硅基集成芯片已成为器件小型化的重要演进方向,是目前的研究热点。本文的目的是将磁光材料和硅基波导结合起来,研制硅基波导磁光器件与多功能集成芯片。根据磁光非互易相移原理,通过分析磁光波导中磁化强度对导波光传播常数的影响,设计了磁场传感和磁光开关两种功能的磁光信号处理芯片。本文主要研究内容和创新如下:1.采用硅基磁光波导设计了一维、二维和三维磁场传感芯片,其中一维磁场传感芯片由Ce:YIG/Si/Si O2磁光波导结构实现。通过改进磁光波导结构,提出了一种新型的Ce:YIG/Si-Ce:YIG/Si O2波导结构,它对波导截面内任意方向的磁化强度具有敏感性。采用这种新型硅基波导组成微环谐振器,分别测量TE和TM两种模式下微环谐振波长的移动,可获得磁化强度或磁场的大小和方向信息,从而设计出二维和三维磁场传感芯片。在1550nm波长附近,经优化波导截面尺寸,磁场传感芯片在切向和法向的磁场灵敏性可分别达到0.105pm/[(k A/m)·μm]和0.080pm/[(k A/m)μm]。2.根据磁光非互易相移原理,设计了两种磁光开关芯片。一种是串联双环的磁光开关,通过优化微环半径和耦合系数等参数,其3d B带宽和消光比分别为0.8nm和15d B。另一种光开关芯片由磁光微环阵列和Sagnac结构组成,具体研究了微环阵列结构对开关磁场和光开关特性的影响。利用级联磁光微环的相移特性,仿真分析了Sagnac结构中心波长透射率和3d B带宽对磁化强度、波导耦合系数、波导损耗等的依赖关系,设计出了在1550nm中心波长插入损耗小于1d B、带宽为1.6nm的Sagnac磁光开关,其开关磁化强度为57.3k A/m。3.以Sagnac磁光开关芯片为例,从激发磁场的微带线频率响应以及磁光材料本身的微波特性两个方面,分析了磁光器件的动态特性,光开关的响应时间为纳秒量级。根据微带线阻抗的频率依赖性,仿真计算了Sagnac磁光开关的1d B截止频率为220GHz,其依赖于微带线的尺寸和有效介电常数等参数。根据磁光材料磁化率张量的交流磁化特性,分析了交流磁化强度的频率响应对光开关性能的影响,得到其交流磁化强度的谐振频率为3.8GHz,其依赖于直流磁场的大小。综合考虑,最终得到磁光开关切换速度在GHz量级,对应纳秒量级的开关响应时间。