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據悉，斯坦福大學的研究人員表示,他們已經發(fā)明了一種簡單有效的芯片級隔離器，可以鋪在比一張紙薄數百倍的半導體材料層中。

激光是一種變革性的技術工具，但一項技術挑戰(zhàn)阻止了它們的變革性。它們發(fā)出的光可以反射回激光器本身，使激光器不穩(wěn)定甚至失效。

在實際中，這一挑戰(zhàn)可以通過使用磁性來阻擋有害反射的笨重設備來解決。然而，在芯片規(guī)模上，工程師們希望激光有朝一日能改寫計算機電路。

在這種背景下，斯坦福大學的研究人員表示，他們已經發(fā)明了一種簡單有效的芯片級隔離器，可以鋪在比一張紙薄數百倍的半導體材料層中。

“芯片級別的隔離是光子學中最大的公開挑戰(zhàn)之一，”斯坦福大學電氣工程教授、該研究的資深作者耶琳娜·烏科維奇(Jelena vuykovovic)說，該研究本月發(fā)表在《自然光子學》(Nature photonics)上。

“每束激光都需要一個隔離器來阻止反向反射進入激光并使其不穩(wěn)定，”Vu?kovi?實驗室的博士候選人、該論文的共同第一作者Alexander White評論道，他補充說，該設備對日常計算有影響，但也可能影響下一代技術，如量子計算。

從左起，Alexander White, Geun Ho Ahn, and Jelena Vu?kovi?與納米級隔離器。

小而被動

納米級隔離器很有前景，原因有幾個。首先，這個隔離器是“被動的”。它不需要外部輸入，不需要復雜的電子器件，也不需要磁性元件——迄今為止阻礙芯片級激光器發(fā)展的技術挑戰(zhàn)。

這些額外的機制導致器件對于集成光子學應用來說過于笨重，并可能導致損害芯片上其他組件的電干擾。

另一個優(yōu)點是，新的隔離器也是由常見的和眾所周知的半導體材料制成，可以使用現有的半導體加工技術制造，這可能會簡化其大規(guī)模生產的道路。

新的隔離器的形狀像一個環(huán)。它是由氮化硅制成的，氮化硅是一種基于最常用的半導體硅的材料。強的初級激光束進入環(huán)，光子開始順時針方向繞環(huán)旋轉。與此同時，反向反射的光束將以相反的方向被送回環(huán)中，以逆時針方向旋轉。

“我們放入的激光能量循環(huán)了很多次，這使我們能夠在環(huán)內建立。這種不斷增加的功率改變了較弱的光束，而較強的光束繼續(xù)不受影響，”共同第一作者Geun Ho Ahn說，他是研究較弱的光束停止共振的電氣工程博士研究生?！胺瓷涔猓抑挥蟹瓷涔獗挥行У氐窒?。”

然后初級激光退出環(huán)，并在所需的方向上被“隔離”。Vu?kovi?和他的團隊已經建立了一個原型作為概念證明，并能夠將兩個環(huán)形隔離器級聯起來以實現更好的性能。

芯片級隔離器的特寫。

Nature Photonics發(fā)表——芯片級無源光隔離器

摘要：光纖和體光隔離器被廣泛應用于通過防止不必要的反饋來穩(wěn)定激光腔。然而，它們的綜合對應物被采用的速度很慢。雖然已經實現了幾種片上光學隔離策略，但這些策略依賴于磁光材料的集成或聲光或電光調制器的高頻調制。在這里，我們展示了一種利用環(huán)形諧振腔內本質非互易的克爾非線性來被動隔離連續(xù)波激光器的集成方法。利用氮化硅作為模型平臺，我們實現了17-23 dB的單環(huán)隔離和1.8 - 5.5 dB的插入損耗，以及35 dB的級聯環(huán)隔離和5 dB的插入損耗。利用這些器件，我們演示了半導體激光芯片的混合集成和隔離。

主要

近年來，在芯片上集成高性能光學系統(tǒng)的工作取得了巨大的進展。超低損耗光子平臺、非線性光子學和異質材料集成的進步已經實現了完全集成的交鑰匙頻率梳源、具有赫茲線寬的片上激光器、每秒太比特(Tbps)的片上通信、片上光學放大器等等。雖然這些系統(tǒng)將繼續(xù)改進，但缺乏集成光學隔離限制了它們的性能。

光隔離器允許光在一個方向上傳輸，同時防止在另一個方向上傳輸。這種非互反行為在光學系統(tǒng)中至關重要，可以通過防止不必要的反向反射來穩(wěn)定激光和降低噪聲。在傳統(tǒng)的光纖和體光學系統(tǒng)中，非互反傳輸是通過使用法拉第效應誘導的非互反偏振旋轉來實現的。通過將磁光材料集成到波導中，這種方法可以在芯片上復制。然而，由于所需的定制材料制造和缺乏互補金屬氧化物半導體(CMOS)兼容性，該方法的可擴展性仍然是一個重大挑戰(zhàn)。此外，由于磁光材料在可見到近紅外(NIR)波長范圍內的微弱作用，它們需要非常強的磁鐵才能運行，因此很難在集成平臺上運行。

最近，在集成無磁隔離器方面取得了顯著進展，使用主動驅動來打破相互作用。這種驅動采用了合成磁鐵、受激布里淵散射和時空調制的形式。然而，對外部驅動器的要求增加了系統(tǒng)的復雜性，通常需要額外的制造，并消耗功率。此外，大功率射頻驅動器產生大量的電磁背景，會干擾光子集成電路中的敏感電子器件和光電檢測。這對這種設備的可伸縮性和采用提出了不可避免的挑戰(zhàn)。因此，為了最大限度地提高可擴展性和集成到當前的光子集成電路中，理想的隔離器應該是完全無源和無磁的。

光學非線性是打破互易性的一種有前途的途徑，并且固有地存在于最廣泛應用的光子平臺中，如氮化硅、硅、磷化鎵、鉭、碳化硅和鈮酸鋰。不幸的是，由于動態(tài)互易性，許多使用光學非線性的非互易傳輸建議不能作為隔離器。然而，通過仔細選擇操作模式，使用光學非線性進行隔離是可能的，并且已經用離散組件進行了證明。

在這篇文章中，我們展示了集成連續(xù)波隔離器使用克爾效應存在于薄膜氮化硅環(huán)形諧振器?？藸栃蚱屏谁h(huán)的順時針和逆時針模式之間的簡并，并允許非互反傳輸。這些設備是完全無源的，除了被隔離的激光之外，不需要任何輸入。因此，唯一的功率開銷是環(huán)形諧振器耦合的小插入損耗。此外，許多將受益于隔離器的集成光學系統(tǒng)已經具有高質量的氮化硅或相應的組件，并且可以輕松地將這種類型的隔離器與CMOS兼容的制造集成。

通過改變環(huán)形諧振器的耦合，我們可以權衡插入損耗和隔離。作為兩個示例，我們演示了峰值隔離為23 dB、插入損耗為4.6 dB的器件和隔離為17 dB、插入損耗為1.3 dB、光功率為90mw的器件。由于我們使用集成光子學平臺，我們可以在同一芯片上重復制造和級聯多個隔離器，使我們能夠演示兩個級聯隔離器，整體隔離比為35 dB。最后，我們將半導體激光二極管芯片對接到氮化硅隔離器，并在芯片上演示了系統(tǒng)中的光學隔離。

工作原理

我們可以用同樣的原理來構造一個隔離器。圖1a所示的設置。一個強泵浦(紅色)被發(fā)送通過環(huán)形諧振腔與簡并順時針和逆時針共振。該泵加熱環(huán)，導致折射率的熱光倒數增加和相應的共振頻率下降。此外，環(huán)中的高功率導致順時針模式的SPM和逆時針模式的XPM。這使得逆時針模式的共振位移是順時針泵浦模式的兩倍?，F在的分裂共振允許在泵浦方向上的近乎統(tǒng)一的傳輸，但實質上減少了在相反方向上的相同頻率的傳輸(藍色)。

圖1:工作原理。a、集成非線性光學隔離器的工作原理示意圖。圖顯示傳輸(T)與頻率(ω)。b，隔離器與驅動它的激光直接耦合的示意圖，僅存在激光(紅色)，僅存在不必要的后向傳輸(藍色)和具有后向傳輸的激光。當激光打開時，后向傳輸不再共振，激光被隔離。c，氮化硅器件的圖像。比例尺，100 μm。d，理論(虛線)和實驗(藍色數據點)在不同輸入泵功率和最大泵失諧時的反向傳輸，說明了洛倫茲傳輸形狀。

這種隔離完全是通過環(huán)的內在非互易性來實現的，因此不需要額外的功率來運行。關鍵是，該操作不受動態(tài)互易性的影響。當backwards-propagating信號在頻率相同的泵,動態(tài)對等并不適用,當一個信號以不同的頻率的泵,互惠但接近于零傳動。此外,重要的是要注意,這種隔離率適用不僅對backwards-propagating信號與權力泵相比非常小,但即使是相稱的向后信號和比泵。當環(huán)內已經有泵浦功率循環(huán)時，反向波與腔體不共振。因此，消除模式分裂所需的輸入功率實際上比泵浦的功率高許多倍。

由于這種類型的隔離器需要連續(xù)的泵浦功率(可以是連續(xù)波泵浦，也可以是在環(huán)自由光譜范圍內脈沖的泵浦)，但不需要額外的驅動或調制，因此它是直接隔離激光輸出的理想選擇(圖1b)。激光本身作為隔離的唯一驅動器，并且該設備不產生功耗，僅在穿越環(huán)時的插入損耗很小。不需要強磁場、有源光調制或大功率射頻驅動器，設備操作不局限于單個光子平臺或波長范圍。

設備集成與測量

為了測量這些設備的隔離性，我們使用圖2a所示的泵-探頭設置。由于泵浦和探頭來自同一激光器，因此它們具有相同的光學頻率。對于第一組測量，如圖2b,c所示，泵浦和探頭波長掃描環(huán)共振。在圖2d中，泵保持固定。我們通過環(huán)發(fā)送一個大功率泵，同時調制并向相反方向發(fā)送一個低功率探頭。然后我們掃描泵浦和探測共振和讀取反向傳輸使用鎖相放大器。在掃描過程中，泵熱拉環(huán)，直到環(huán)在共振峰值時解鎖。當激光接近環(huán)的頻率時，更多的光功率耦合到共振中。由于一個小的線性材料吸收，這使環(huán)加熱，使共振遠離激光。這一直持續(xù)到激光頻率匹配共振，并最大限度地耦合到環(huán)。一旦激光失諧超過這一點，環(huán)中的功率就會開始下降，使環(huán)冷卻并坍縮到原來的共振位置。通過監(jiān)測諧振峰值處的探頭傳輸，我們可以獲得隔離的直接測量。此外，通過改變泵浦功率，我們可以測量功率相關的隔離(圖2b,c)。隨著泵浦功率的增加，峰值隔離被紅移，并按洛倫茲量縮放。我們發(fā)現，我們的測量結果(圖2b)與一個具有洛倫茲功率依賴隔離的熱拉環(huán)的簡單模型(圖2b，插圖)的預期傳輸之間非常一致。

圖2:隔離測量。a，表征非線性光學隔離器的測量裝置示意圖。EDFA，摻鉺光纖放大器;EOM，電光調制器。PC，偏振控制器;LO, 90千赫電子振蕩器。b，依賴泵功率的向后傳輸測量。插圖:理論泵功率依賴關系。插圖中的線條顏色與主面板中的顏色相對應。c，相應的理論(虛線)和實驗(藍色數據點)器件隔離。數據點顏色對應于b. d中使用的顏色，隨著泵功率的增加(0 mW, 40 mW, 80 mW)脈沖向后傳輸測量。插圖顯示了虛線框中繪圖部分的放大圖。e，反向傳輸的理論(虛線)和實驗(藍色數據點)頻率依賴關系。在這里，探頭被EOM分割成兩個邊帶，這種邊帶分離用頻率合成器進行掃頻。正如預期的那樣，向后頻率響應與泵功率成比例地移位。

我們還用靜態(tài)泵頻驗證了隔離器的運行。環(huán)仍然鎖定在激光上，我們可以通過發(fā)送與泵浦頻率相同的光脈沖直接測量設備的向后傳輸(圖2d)。在這里，諧振器鎖定是通過調諧激光頻率來啟動的，但這也可以通過熱調諧環(huán)來實現。由于最大傳輸和隔離發(fā)生在共振的峰值，此時共振不再跟隨激光，鎖定可能會受到環(huán)境溫度變化的干擾。這可以通過環(huán)的熱穩(wěn)定來緩解。然而，巨大的熱拉量允許在激光失諧方面有足夠的開銷:對于這個在90 mw輸入功率下的器件，從解鎖點開始的1 ghz失諧只對應于隔離降低0.3 db，插入損耗增加0.15 db。正因為如此，我們能夠在接近最大傳輸的情況下工作，而不需要對光子隔離器芯片進行任何溫度控制，并在實驗期間保持穩(wěn)定鎖定。

最后，利用電光調制器(EOM)對探頭進行調制，測量隔振器的頻率響應。這就產生了我們可以掃過共振的邊帶。由于只有紅移邊帶會與紅移后向共振共振，我們可以掃描邊帶頻率來繪制頻率響應(圖2e)。

為了在實驗上探究這種權衡，我們制作了一個由16個不同耦合強度和耦合不對稱的空氣包層氮化硅隔離器組成的陣列(圖3b,c)。我們發(fā)現這些器件的內在質量因子約為500萬。正如預期的那樣，耦合越弱、越不對稱的器件具有更高的隔離性，但也有更高的插入損耗。我們重點介紹了其中兩種器件的性能——一種器件的插入損耗為1.8 db，隔離閾值為12.9 mW，另一種器件的插入損耗為5.5 db，隔離閾值為6.5 mW(圖3d)。這些器件在90 mW時分別顯示出16.6 dB和23.4 dB的峰值隔離。

圖3:性能優(yōu)化。a，隔離器環(huán)示意圖，說明關鍵參數:κ1， κ2和γ -輸入耦合率，輸出耦合率和固有損耗率。b，熱圖顯示不同偶聯率下的插入損失和峰值隔離。色條限制由每個圖的最小值和最大值設定(白色:1.0 db插入損耗，3.3 db峰值隔離;深藍色:10.1 db插入損耗，23.4 db峰值隔離)。表現良好的參數用藍色、綠色和橙色圓圈突出顯示。c, b的隔離和插入損失的相關性d，三個突出顯示環(huán)的泵功率依賴隔離。

由于這些隔離器是集成的，并且可以具有低插入損耗，因此可以在同一芯片上制造和級聯多個器件，從而實現隔離的指數級增強(圖4a)。為了驗證這一點，我們制造了兩個環(huán)，第二個環(huán)與第一個環(huán)有輕微的紅失諧。這允許熱位移使兩個環(huán)發(fā)生共振并鎖定在那里。在給定的泵功率下，當第二個環(huán)被單環(huán)插入損失乘以第一個環(huán)的熱牽拉(補充第8節(jié))紅失失調時，隔離最大化，整體插入損失最小化。為了表征級聯環(huán)的隔離，我們首先測量單個環(huán)的功率依賴性隔離(圖4c)，使用與圖2a相同的泵-探頭測量。然后，我們對兩個級聯環(huán)重復此測量，其中一個與第二個環(huán)略有紅失諧。這些結果如圖4d,e所示。級聯環(huán)的乘法效應使我們能夠實現35db的隔離，插入損耗為~ 5db。

圖4:隔離級聯。a，級聯隔離環(huán)示意圖。b，制造的級聯隔離環(huán)的光學顯微照片。比例尺，200 μm。c，理論(虛線)和實驗(藍色數據點)功率相關的單環(huán)隔離。d、級聯隔離環(huán)與110mw泵正向和反向傳輸。e，理論(虛線)和實驗(藍色數據點)級聯環(huán)的功率依賴隔離。理論擬合是通過將單個環(huán)的隔離比乘以從第一個環(huán)紅移的第二個環(huán)來計算的。測量從40mw開始，因為需要這么多的泵浦功率來重疊兩個環(huán)共振。

最后，我們使用分布式反饋(DFB)激光芯片演示隔離(圖5a)。為了最大化芯片上的泵浦功率，我們使用氧化物包層的倒錐來匹配激光的輸出模式，將DFB激光器耦合到芯片上。我們首先通過將DFB激光耦合到透鏡光纖并執(zhí)行泵浦探針測量來表征隔離，如圖2a所示。為了使DFB激光在環(huán)形共振中調諧，我們使用珀爾蒂爾器件和熱敏電阻進行反饋來調節(jié)其溫度。我們觀察到在65 mw輸入功率下，隔離度高達13.6 dB(圖5b)，由于Q因子的小幅降低，隔離度略低于以前。然后我們直接將DFB激光器和隔離器對接，并將環(huán)熱鎖定到激光上。為了驗證其隔離性，我們使用二次激光向后通過設備發(fā)送脈沖，并測量它們的傳輸(圖5c,d)。為了確保二次激光與DFB頻率相同，我們在光電二極管上混合激光輸出。

圖5:DFB混合積分。a, DFB激光器與隔離器混合集成的光學圖像。b，用放大DFB激光器測量的功率依賴隔離。藍色數據點表示測量結果，虛線表示理論擬合。c，混合集成dfb隔離器操作直接測量的實驗測量裝置示意圖。d，直接耦合DFB激光器開啟和關閉后向脈沖傳輸。

結論

我們已經演示了利用完全被動的克爾效應的片上光學隔離器。通過調整耦合參數，我們在插入損耗和隔離之間進行了權衡，演示了插入損耗僅為1.8 dB，隔離為17 dB的器件，單環(huán)隔離高達23 dB。由于這些隔離器的集成性質，它們可以很容易地級聯以提高性能。通過級聯兩個環(huán)，我們實現了35db的隔離和5db的插入損耗。最后，我們演示了該器件用于隔離邊緣耦合DFB激光芯片的輸出。

由于這些設備是完全無源和無磁的，它們不需要外部驅動器，并且可以在不產生任何電磁干擾或磁場背景的情況下運行。盡管如此，它們的性能仍然與最先進的有源和磁性集成隔離器具有競爭力。此外，來自商業(yè)代工廠的更好控制的制造將允許更高的質量因子，并實現兩個以上環(huán)的級聯，將20 dB隔離的功率閾值降低到2 mW以下，可實現的隔離超過70 dB。由于許多混合和異質集成光學系統(tǒng)已經在克爾材料中包含高質量的光子學，這種類型的隔離器可以立即納入最先進的集成光子學。

圖S1：a.線性濾波器寬帶隔離原理圖。紅色為泵，綠色為泵的反向傳播信號簡并，藍色為隔離器的反向諧振的反向傳播信號。b.系統(tǒng)頻率響應。線性濾波器傳輸泵和阻擋光的傳輸，可以通過隔離器在XPM共振。c.通過設計線性濾波器，使其具有不是隔離器FSR倍數的FSR(自由光譜范圍)，可以實現超寬帶隔離。