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1、1 9 9 9年 第十届全国磁学和磁性材料会议论文集 磁光薄膜波导中传播的静磁体波特性 447 武保剑刘公强 上海交通大学应用物理系 上海 2 0 0 2 4 0 !11. 本义给出于斜向场作用下磁光溥膜波导中静磁正向体波的动态磁化强度，计算了 Y I G薄膜中与磁光藕合系 数相联系的动态磁化强度振幅。计算表明，零模静磁体波的( 动态磁化强度) 振幅远大丁高模数的静磁体波振幅. 薄膜波导中要传播确定频率的零模静磁体波，斜向 偏置磁场必须处于适当的范围内 1 引言 静磁波是自 旋波的长波部分，也是一种特殊的微波电磁波。与表面声波相比，静磁波具有许多优 点，如传播损耗小，载波频率范围大等。静磁波可
2、进行磁场控制，制成多种延迟线;还可与导波光发 生作用，导致导波光的模式转换或衍射效应，利用这一原理可做成频谱分析器、光调制器和光偏转器 等新型磁光波导器件D l ，并可望在光通信、光信息处理和激光雷达等领域获得广泛应用。采用斜向偏 置 磁场方法， 可明显 提高这 类磁光器件的B r a g g 衍射效率2 1 。 导波光的 衍射效率与 静磁波振幅大小密 切相关3 1 ，静磁波波矢影响导波光衍射方向。因此，分析磁光波导中 静磁体波的传播特性，有助于研 究静磁波与导波光的相互作用，从而进一步提高导波光衍射效率。 2 磁光溥膜中的动态磁化强度 考 虑 斜向 场 作 用 下 三 层 介 质 波 导 中
3、 激 发的 静 磁 正向 体 波 ( M S F V W ) ， 如 图1 所 示。 内 静 磁 偏 场豆 在x 。平面内， 偏离z 轴B 角， 微带线变换器紧贴Y I G薄膜表面， 静磁波沿Y 轴方向 传播。 图 1置于自由空间的 Y 工 G薄膜波导结构 根 据磁性薄膜中 磁化强 度矢量M的 运动方程和边界条件， 在静磁近似爪忽略麦氏 方 程中的 推迟 项 日 J 加 ， ) 可 得 薄 膜 内 静 磁 波 的 传 播 方 程 14 1静 磁 体 波 与 导 波 光 相 互 作 用 时 导 波 光 的 模 式 转 换 效 率 和 衍 ，二 ，4 _ 、 ， _ _， ，. _二 ，一 .J
4、_ ，k 5H 双 羊 pi 用 9 口 卜 二 ， 1e 尤 TA 台 乐 v 表 不 h l 二 访 1 M ox 一 4 r f l- J x Z = k 0M 2 f 44 c o s O + 粤 种c o s o + 扼 sin B 习 .一。 ， 其 中 、 。 为 入 射 导 波 光 的 波 数 ， ; 4 V ，L s 、几4 和牙 为 磁 光 系 数 15 1 , m ， 和。 夕 为 与 磁 光 祸 合 系 数 联 系 的 动 态 磁 化 强 度 ， 可 由 静 磁 波 传 播 方 程 4 1 并 结 合 光 导 波 的模式转换理论16 1 的推导过程得到，即 a)b) r
5、、了 一 Q co s q (co0)6 sin “ 一，T (e QJKj“ 一 ， 一 w 0/3 sin “ 一)(， 一 ，K, ;d )le -,K,y 肚s= = j呵 (s m 。 一 训 sin ) )T (e f“ 一 ， 十 S O), (o f sin B )“ 一 “ )一 “ ， 毯叭 式中 略去了 时间因子。 1. 1 , m= 2 ) r f, f和龙分别 为静磁 波频率和 传播常数，土 1 分别对应于 沿 Y 轴 正 向 和 反 “ ” 播 的 ” 磁 “ ; “ 于 ” 磁 体 波 ， ,6 一 洽为 纯 虚 数 ， 一 a 2 + 1 a,一1 a , =
6、八: 刀一 S A 2 i 1 4 8会 议论 文 集1 9 9 9年 a 2 - P 3 3 ,8 + s f 1 2 3 P 2 2 、P 2 3 和P 3 3 为 磁 导 率 张 量 的 分 量 ; Q = / 3 I K“ 4 7 r 2 s G s co . 吩、，霭翎1盘翼 2 IK S IZ d 2 + 4 7t 2 k r0 o 一 。 ， ) Gp =了 ( K . ) e d lK ,ld 4 s 尽 1 ( + : 一 1 ) J ( K ) 一 f- j(Y)eK“dy ， IK 一 _ IIQld 一 2 1U 3 3 IY I , 33 可十 X 22 3 一 I
7、m 为模数， d为 磁 性 薄 膜 厚 度，J ( Y ) 为电 流 分 布 函 数 ; o ) o = y H， 。 。 二 / m s , M 、 和Y分 别为 饱 和 磁 化 强 度 和旋 磁 比 显 然 . K 】 和 K : 分 别 与 动 态 磁 化 强 度m : 和m y 的 振 幅 成 正 比 。 3 计算与讨论 具体计算了 Y I G薄膜波导中 用金属微带线激发的静磁正向 体波的动态磁化强度振幅， 如图 示。 计算中， 微带 线宽 度w = 2 0 tm , Y I G 薄 膜厚 度d = 6 .8 1x m , 饱 和 磁 化 强 度M,= 2 互 旦 k A / m ,
8、4 汀 流 密 度 J 。 一 2 .6 6 m A /W m 。 由 计 算 可 知 ， m 一 时 ， lm x l Im r l 且 M Y 很 ，I N : m 一 2 时 ， l- l - lm r l 2所 线电 。由 图 “ 看 出 ， 。 ， 。 时 的 m z 和 m ， 一远 小 于 m = “ 时 的 m , 和 Im y l , 因 此在 讨 论 静 磁 体 波 与 导 波 光 相 互 作用时应主要考虑零模静磁波对导波光模式转换域 纬 j 射效率的影响。 -X: m= 0 一j: m= 0 -X: m= 1 - - 甲- x少 舰二 2 j = 2 . 5 G H z
9、H. = 5 5k A/ m ，日盔一入兰.-城互 图2不 同 模数 情 况 下m ， 和m , 一竺 竺 竺 已二奋书终尸弓气不厂洲 1 0 2 0 3 0 夕/ d e g . 的振幅曲线( 图例中的x , y 表示相应分量) 由 ( 1 ) 式 可 知 ， 同 时 改 变 、 与 “ 的 符 号 ， Im x 和 m y 的 值 不 变 : 计 算 知 10 1 9 0 时 ， 正 向 传 播 ( : 一 ) 的 静 磁 波 与 反 向 传 播 ( S = - 1 ) 的 静 磁 波 具 有 相 反 的 位 相 。 由 凡 的 表 达 式 知 1 静 磁 波 的 传 播 常 数 K ,
10、是 0 的 偶函 数。 计 算 又表明， 当 静磁 波 频 率f 及模 数m 越大、 静 磁 场拭及 其 偏 角0 越小时 ， 静 磁 波 传播 常 数K越 大: 薄 膜 波 导 中 要 传 播 确 定 频 率 的 零 模 静 磁 体 波， 斜向 偏 置 磁 场 必 须 处 于 适当 的 范 围 内 ， 既 要 满 足 静 磁体 波的 带 宽条 件 4 1 ， 又要 保 证K ， 存 在。 最后应该指出，在适当的静磁体波频率范围内， 斜向 偏置磁场可提高静磁体波的振幅，进而在静 磁波与导波光相互作用情形下 提高导波光衍射效率。 1 1 C . 5 . 2 1 O . V 3 - 6 , 参考文
11、献 T s a i a n d D . Y o u n g , I E E E T r a n s . Mi c r o w a v e T h e o r y T e c h . , MT T - 3 8 . K o l o l o l t s e v , Y . A . G a i d a i a n d V . 1 . Z a e t s , P r o c . o f 1 9 9 5 E u r o p e a n 1 9 9 5 , De l f t , Ne t h e r l a n d s , 2 2 1 一2 2 3 . ( 1 9 9 0 ) , 5 6 0 . I n t
12、 e g r a t e d O p t i c s C o n f e r e n c e , A p r i l Wu B a o j i a n a n d L i u G o n g q i a n , C h i n e s e P h y s i c s L e t t e r s , 1 6 ( 1 9 9 9 ) , 2 8 8 武保剑， 刘公强， 第六届全国磁学理论讨论会登全国青年磁学理论讨论会论文集， 山东济南， 1 9 9 8 , 4 9 -5 2 I3l4 1 5 1 M. T o r f e h , L . C o u r t o i s , L . S m o c z y n s k i , H . L e G a l l a n d J . M. D e s v i g n e s , P h y s i c a , 8 9 B ( 1 9 7 7 ) , 2 5 5 6 1刘公强， C . S . T s a i , 物埋学报， 4 7 ( 1 9 9 8 ) , 1 2 1 3 .
