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近日，斯坦福大學(xué)的研究人員表示，他們已經(jīng)發(fā)明了一種簡(jiǎn)易、高效的芯片級(jí)光隔離器，能夠嵌入一層比紙張薄數(shù)百倍的半導(dǎo)體材料中。

圖1 芯片級(jí)光隔離器的特寫(xiě)

“芯片級(jí)光隔離器一直是光子學(xué)領(lǐng)域有待解決的巨大難題之一。”斯坦福大學(xué)電子工程教授Jelena Vuckovic說(shuō)，她同時(shí)也是此項(xiàng)12月1日發(fā)表在Nature Photonics上研究的主要作者。

“每個(gè)激光器都需要光隔離器來(lái)抑制背向反射進(jìn)入激光器，造成激光器不穩(wěn)定。” Vuckovic實(shí)驗(yàn)室的博士候選人、本篇論文的共同第一作者Alexander White說(shuō)。他補(bǔ)充道，這一設(shè)備能用于普通計(jì)算機(jī)中，甚至也能夠用于量子計(jì)算等新一代技術(shù)中。

這種納米級(jí)光隔離器具有應(yīng)用前景，主要原因在于：首先，這種隔離器是被動(dòng)作用，無(wú)需外部輸入，也無(wú)需復(fù)雜的電子或磁性裝置，而這正是此前一直阻礙芯片級(jí)激光器的原因所在——額外的裝置導(dǎo)致設(shè)備體積過(guò)大、無(wú)法用于集成光子學(xué)應(yīng)用中，同時(shí)可能導(dǎo)致電流干擾，以致?lián)p害芯片上其他組件。

另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，這種新型光隔離器是由常見(jiàn)、常用的半導(dǎo)體基材料制成，也能使用現(xiàn)有的半導(dǎo)體加工技術(shù)制造，未來(lái)可能較為簡(jiǎn)單的就能用作大規(guī)模生產(chǎn)。

新型光隔離器的形狀類似圓環(huán)形，由氮化硅制成——一種基于最常用半導(dǎo)體硅的材料。強(qiáng)初級(jí)激光束進(jìn)入圓環(huán)中，光子沿順時(shí)針?lè)较蚶@環(huán)旋轉(zhuǎn)；與此同時(shí)，背向反射的光束會(huì)沿反時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)重新送回圓環(huán)。

“輸入的激光能量循環(huán)了多次，在環(huán)內(nèi)逐漸增強(qiáng)。不斷增加的激光功率改變了較弱的光束，而較強(qiáng)的不受影響，”本文共同第一作者Geun Ho Ahn解釋說(shuō)。他是電子工程的博士生，主要研究較弱光束停止諧振的原因?！捌渲袃H有反射光被有效地抵消了?！敝螅怀晒Α案綦x”的初級(jí)激光從隔離器中出射。

Vuckovic及其團(tuán)隊(duì)已制造了一臺(tái)光隔離器原型，并對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證；同時(shí)還將兩個(gè)環(huán)形光隔離器級(jí)聯(lián)在一起，獲得了更好的性能。

“下一步包括研究用于不同頻率的光隔離器，” Vuckovic實(shí)驗(yàn)室的博士后學(xué)者Kasper Van Gasse說(shuō)。“以及在芯片規(guī)模上更緊密地集成組件，以探索隔離器的其他用途，并提高性能。”