破解集成光学大难题：芯片级无源光隔离器成功面世

据悉，斯坦福大学的研究人员表示,他们已经发明了一种简单有效的芯片级隔离器，可以铺在比一张纸薄数百倍的半导体材料层中。

激光是一种变革性的技术工具，但一项技术挑战阻止了它们的变革性。它们发出的光可以反射回激光器本身，使激光器不稳定甚至失效。

在实际中，这一挑战可以通过使用磁性来阻挡有害反射的笨重设备来解决。然而，在芯片规模上，工程师们希望激光有朝一日能改写计算机电路。

在这种背景下，斯坦福大学的研究人员表示，他们已经发明了一种简单有效的芯片级隔离器，可以铺在比一张纸薄数百倍的半导体材料层中。

“芯片级别的隔离是光子学中最大的公开挑战之一，”斯坦福大学电气工程教授、该研究的资深作者耶琳娜·乌科维奇(Jelena vuykovovic)说，该研究本月发表在《自然光子学》(Nature photonics)上。

“每束激光都需要一个隔离器来阻止反向反射进入激光并使其不稳定，”Vučković实验室的博士候选人、该论文的共同第一作者Alexander White评论道，他补充说，该设备对日常计算有影响，但也可能影响下一代技术，如量子计算。

从左起，Alexander White, Geun Ho Ahn, and Jelena Vučković与纳米级隔离器。

小而被动

纳米级隔离器很有前景，原因有几个。首先，这个隔离器是“被动的”。它不需要外部输入，不需要复杂的电子器件，也不需要磁性元件——迄今为止阻碍芯片级激光器发展的技术挑战。

这些额外的机制导致器件对于集成光子学应用来说过于笨重，并可能导致损害芯片上其他组件的电干扰。

另一个优点是，新的隔离器也是由常见的和众所周知的半导体材料制成，可以使用现有的半导体加工技术制造，这可能会简化其大规模生产的道路。

新的隔离器的形状像一个环。它是由氮化硅制成的，氮化硅是一种基于最常用的半导体硅的材料。强的初级激光束进入环，光子开始顺时针方向绕环旋转。与此同时，反向反射的光束将以相反的方向被送回环中，以逆时针方向旋转。

“我们放入的激光能量循环了很多次，这使我们能够在环内建立。这种不断增加的功率改变了较弱的光束，而较强的光束继续不受影响，”共同第一作者Geun Ho Ahn说，他是研究较弱的光束停止共振的电气工程博士研究生。“反射光，而且只有反射光被有效地抵消了。”

然后初级激光退出环，并在所需的方向上被“隔离”。Vučković和他的团队已经建立了一个原型作为概念证明，并能够将两个环形隔离器级联起来以实现更好的性能。

芯片级隔离器的特写。

Nature Photonics发表——芯片级无源光隔离器

摘要：光纤和体光隔离器被广泛应用于通过防止不必要的反馈来稳定激光腔。然而，它们的综合对应物被采用的速度很慢。虽然已经实现了几种片上光学隔离策略，但这些策略依赖于磁光材料的集成或声光或电光调制器的高频调制。在这里，我们展示了一种利用环形谐振腔内本质非互易的克尔非线性来被动隔离连续波激光器的集成方法。利用氮化硅作为模型平台，我们实现了17-23 dB的单环隔离和1.8 - 5.5 dB的插入损耗，以及35 dB的级联环隔离和5 dB的插入损耗。利用这些器件，我们演示了半导体激光芯片的混合集成和隔离。

主要

近年来，在芯片上集成高性能光学系统的工作取得了巨大的进展。超低损耗光子平台、非线性光子学和异质材料集成的进步已经实现了完全集成的交钥匙频率梳源、具有赫兹线宽的片上激光器、每秒太比特(Tbps)的片上通信、片上光学放大器等等。虽然这些系统将继续改进，但缺乏集成光学隔离限制了它们的性能。

光隔离器允许光在一个方向上传输，同时防止在另一个方向上传输。这种非互反行为在光学系统中至关重要，可以通过防止不必要的反向反射来稳定激光和降低噪声。在传统的光纤和体光学系统中，非互反传输是通过使用法拉第效应诱导的非互反偏振旋转来实现的。通过将磁光材料集成到波导中，这种方法可以在芯片上复制。然而，由于所需的定制材料制造和缺乏互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容性，该方法的可扩展性仍然是一个重大挑战。此外，由于磁光材料在可见到近红外(NIR)波长范围内的微弱作用，它们需要非常强的磁铁才能运行，因此很难在集成平台上运行。

最近，在集成无磁隔离器方面取得了显著进展，使用主动驱动来打破相互作用。这种驱动采用了合成磁铁、受激布里渊散射和时空调制的形式。然而，对外部驱动器的要求增加了系统的复杂性，通常需要额外的制造，并消耗功率。此外，大功率射频驱动器产生大量的电磁背景，会干扰光子集成电路中的敏感电子器件和光电检测。这对这种设备的可伸缩性和采用提出了不可避免的挑战。因此，为了最大限度地提高可扩展性和集成到当前的光子集成电路中，理想的隔离器应该是完全无源和无磁的。

光学非线性是打破互易性的一种有前途的途径，并且固有地存在于最广泛应用的光子平台中，如氮化硅、硅、磷化镓、钽、碳化硅和铌酸锂。不幸的是，由于动态互易性，许多使用光学非线性的非互易传输建议不能作为隔离器。然而，通过仔细选择操作模式，使用光学非线性进行隔离是可能的，并且已经用离散组件进行了证明。

在这篇文章中，我们展示了集成连续波隔离器使用克尔效应存在于薄膜氮化硅环形谐振器。克尔效应打破了环的顺时针和逆时针模式之间的简并，并允许非互反传输。这些设备是完全无源的，除了被隔离的激光之外，不需要任何输入。因此，唯一的功率开销是环形谐振器耦合的小插入损耗。此外，许多将受益于隔离器的集成光学系统已经具有高质量的氮化硅或相应的组件，并且可以轻松地将这种类型的隔离器与CMOS兼容的制造集成。

通过改变环形谐振器的耦合，我们可以权衡插入损耗和隔离。作为两个示例，我们演示了峰值隔离为23 dB、插入损耗为4.6 dB的器件和隔离为17 dB、插入损耗为1.3 dB、光功率为90mw的器件。由于我们使用集成光子学平台，我们可以在同一芯片上重复制造和级联多个隔离器，使我们能够演示两个级联隔离器，整体隔离比为35 dB。最后，我们将半导体激光二极管芯片对接到氮化硅隔离器，并在芯片上演示了系统中的光学隔离。

工作原理

我们可以用同样的原理来构造一个隔离器。图1a所示的设置。一个强泵浦(红色)被发送通过环形谐振腔与简并顺时针和逆时针共振。该泵加热环，导致折射率的热光倒数增加和相应的共振频率下降。此外，环中的高功率导致顺时针模式的SPM和逆时针模式的XPM。这使得逆时针模式的共振位移是顺时针泵浦模式的两倍。现在的分裂共振允许在泵浦方向上的近乎统一的传输，但实质上减少了在相反方向上的相同频率的传输(蓝色)。

图1:工作原理。a、集成非线性光学隔离器的工作原理示意图。图显示传输(T)与频率(ω)。b，隔离器与驱动它的激光直接耦合的示意图，仅存在激光(红色)，仅存在不必要的后向传输(蓝色)和具有后向传输的激光。当激光打开时，后向传输不再共振，激光被隔离。c，氮化硅器件的图像。比例尺，100 μm。d，理论(虚线)和实验(蓝色数据点)在不同输入泵功率和最大泵失谐时的反向传输，说明了洛伦兹传输形状。

这种隔离完全是通过环的内在非互易性来实现的，因此不需要额外的功率来运行。关键是，该操作不受动态互易性的影响。当backwards-propagating信号在频率相同的泵,动态对等并不适用,当一个信号以不同的频率的泵,互惠但接近于零传动。此外,重要的是要注意,这种隔离率适用不仅对backwards-propagating信号与权力泵相比非常小,但即使是相称的向后信号和比泵。当环内已经有泵浦功率循环时，反向波与腔体不共振。因此，消除模式分裂所需的输入功率实际上比泵浦的功率高许多倍。

由于这种类型的隔离器需要连续的泵浦功率(可以是连续波泵浦，也可以是在环自由光谱范围内脉冲的泵浦)，但不需要额外的驱动或调制，因此它是直接隔离激光输出的理想选择(图1b)。激光本身作为隔离的唯一驱动器，并且该设备不产生功耗，仅在穿越环时的插入损耗很小。不需要强磁场、有源光调制或大功率射频驱动器，设备操作不局限于单个光子平台或波长范围。

设备集成与测量

为了测量这些设备的隔离性，我们使用图2a所示的泵-探头设置。由于泵浦和探头来自同一激光器，因此它们具有相同的光学频率。对于第一组测量，如图2b,c所示，泵浦和探头波长扫描环共振。在图2d中，泵保持固定。我们通过环发送一个大功率泵，同时调制并向相反方向发送一个低功率探头。然后我们扫描泵浦和探测共振和读取反向传输使用锁相放大器。在扫描过程中，泵热拉环，直到环在共振峰值时解锁。当激光接近环的频率时，更多的光功率耦合到共振中。由于一个小的线性材料吸收，这使环加热，使共振远离激光。这一直持续到激光频率匹配共振，并最大限度地耦合到环。一旦激光失谐超过这一点，环中的功率就会开始下降，使环冷却并坍缩到原来的共振位置。通过监测谐振峰值处的探头传输，我们可以获得隔离的直接测量。此外，通过改变泵浦功率，我们可以测量功率相关的隔离(图2b,c)。随着泵浦功率的增加，峰值隔离被红移，并按洛伦兹量缩放。我们发现，我们的测量结果(图2b)与一个具有洛伦兹功率依赖隔离的热拉环的简单模型(图2b，插图)的预期传输之间非常一致。

图2:隔离测量。a，表征非线性光学隔离器的测量装置示意图。EDFA，掺铒光纤放大器;EOM，电光调制器。PC，偏振控制器;LO, 90千赫电子振荡器。b，依赖泵功率的向后传输测量。插图:理论泵功率依赖关系。插图中的线条颜色与主面板中的颜色相对应。c，相应的理论(虚线)和实验(蓝色数据点)器件隔离。数据点颜色对应于b. d中使用的颜色，随着泵功率的增加(0 mW, 40 mW, 80 mW)脉冲向后传输测量。插图显示了虚线框中绘图部分的放大图。e，反向传输的理论(虚线)和实验(蓝色数据点)频率依赖关系。在这里，探头被EOM分割成两个边带，这种边带分离用频率合成器进行扫频。正如预期的那样，向后频率响应与泵功率成比例地移位。

我们还用静态泵频验证了隔离器的运行。环仍然锁定在激光上，我们可以通过发送与泵浦频率相同的光脉冲直接测量设备的向后传输(图2d)。在这里，谐振器锁定是通过调谐激光频率来启动的，但这也可以通过热调谐环来实现。由于最大传输和隔离发生在共振的峰值，此时共振不再跟随激光，锁定可能会受到环境温度变化的干扰。这可以通过环的热稳定来缓解。然而，巨大的热拉量允许在激光失谐方面有足够的开销:对于这个在90 mw输入功率下的器件，从解锁点开始的1 ghz失谐只对应于隔离降低0.3 db，插入损耗增加0.15 db。正因为如此，我们能够在接近最大传输的情况下工作，而不需要对光子隔离器芯片进行任何温度控制，并在实验期间保持稳定锁定。

最后，利用电光调制器(EOM)对探头进行调制，测量隔振器的频率响应。这就产生了我们可以扫过共振的边带。由于只有红移边带会与红移后向共振共振，我们可以扫描边带频率来绘制频率响应(图2e)。

为了在实验上探究这种权衡，我们制作了一个由16个不同耦合强度和耦合不对称的空气包层氮化硅隔离器组成的阵列(图3b,c)。我们发现这些器件的内在质量因子约为500万。正如预期的那样，耦合越弱、越不对称的器件具有更高的隔离性，但也有更高的插入损耗。我们重点介绍了其中两种器件的性能——一种器件的插入损耗为1.8 db，隔离阈值为12.9 mW，另一种器件的插入损耗为5.5 db，隔离阈值为6.5 mW(图3d)。这些器件在90 mW时分别显示出16.6 dB和23.4 dB的峰值隔离。

图3:性能优化。a，隔离器环示意图，说明关键参数:κ1， κ2和γ -输入耦合率，输出耦合率和固有损耗率。b，热图显示不同偶联率下的插入损失和峰值隔离。色条限制由每个图的最小值和最大值设定(白色:1.0 db插入损耗，3.3 db峰值隔离;深蓝色:10.1 db插入损耗，23.4 db峰值隔离)。表现良好的参数用蓝色、绿色和橙色圆圈突出显示。c, b的隔离和插入损失的相关性d，三个突出显示环的泵功率依赖隔离。

由于这些隔离器是集成的，并且可以具有低插入损耗，因此可以在同一芯片上制造和级联多个器件，从而实现隔离的指数级增强(图4a)。为了验证这一点，我们制造了两个环，第二个环与第一个环有轻微的红失谐。这允许热位移使两个环发生共振并锁定在那里。在给定的泵功率下，当第二个环被单环插入损失乘以第一个环的热牵拉(补充第8节)红失失调时，隔离最大化，整体插入损失最小化。为了表征级联环的隔离，我们首先测量单个环的功率依赖性隔离(图4c)，使用与图2a相同的泵-探头测量。然后，我们对两个级联环重复此测量，其中一个与第二个环略有红失谐。这些结果如图4d,e所示。级联环的乘法效应使我们能够实现35db的隔离，插入损耗为~ 5db。

图4:隔离级联。a，级联隔离环示意图。b，制造的级联隔离环的光学显微照片。比例尺，200 μm。c，理论(虚线)和实验(蓝色数据点)功率相关的单环隔离。d、级联隔离环与110mw泵正向和反向传输。e，理论(虚线)和实验(蓝色数据点)级联环的功率依赖隔离。理论拟合是通过将单个环的隔离比乘以从第一个环红移的第二个环来计算的。测量从40mw开始，因为需要这么多的泵浦功率来重叠两个环共振。

最后，我们使用分布式反馈(DFB)激光芯片演示隔离(图5a)。为了最大化芯片上的泵浦功率，我们使用氧化物包层的倒锥来匹配激光的输出模式，将DFB激光器耦合到芯片上。我们首先通过将DFB激光耦合到透镜光纤并执行泵浦探针测量来表征隔离，如图2a所示。为了使DFB激光在环形共振中调谐，我们使用珀尔蒂尔器件和热敏电阻进行反馈来调节其温度。我们观察到在65 mw输入功率下，隔离度高达13.6 dB(图5b)，由于Q因子的小幅降低，隔离度略低于以前。然后我们直接将DFB激光器和隔离器对接，并将环热锁定到激光上。为了验证其隔离性，我们使用二次激光向后通过设备发送脉冲，并测量它们的传输(图5c,d)。为了确保二次激光与DFB频率相同，我们在光电二极管上混合激光输出。

图5:DFB混合积分。a, DFB激光器与隔离器混合集成的光学图像。b，用放大DFB激光器测量的功率依赖隔离。蓝色数据点表示测量结果，虚线表示理论拟合。c，混合集成dfb隔离器操作直接测量的实验测量装置示意图。d，直接耦合DFB激光器开启和关闭后向脉冲传输。

结论

我们已经演示了利用完全被动的克尔效应的片上光学隔离器。通过调整耦合参数，我们在插入损耗和隔离之间进行了权衡，演示了插入损耗仅为1.8 dB，隔离为17 dB的器件，单环隔离高达23 dB。由于这些隔离器的集成性质，它们可以很容易地级联以提高性能。通过级联两个环，我们实现了35db的隔离和5db的插入损耗。最后，我们演示了该器件用于隔离边缘耦合DFB激光芯片的输出。

由于这些设备是完全无源和无磁的，它们不需要外部驱动器，并且可以在不产生任何电磁干扰或磁场背景的情况下运行。尽管如此，它们的性能仍然与最先进的有源和磁性集成隔离器具有竞争力。此外，来自商业代工厂的更好控制的制造将允许更高的质量因子，并实现两个以上环的级联，将20 dB隔离的功率阈值降低到2 mW以下，可实现的隔离超过70 dB。由于许多混合和异质集成光学系统已经在克尔材料中包含高质量的光子学，这种类型的隔离器可以立即纳入最先进的集成光子学。