非磁光集成隔離器的研究進(jìn)展

羅強(qiáng)，喬紅貞，曾高杰，李成浩，舒方杰

(商丘師范學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，河南 商丘 476000)

0　引　言

集成光路是類比集成電路將光波導(dǎo)和微光學(xué)器件集成起來構(gòu)成特定功能的光學(xué)芯片，它不但功耗低、尺寸小、造價低廉，而且性能優(yōu)越、可靠性高，因此日益受到人們的關(guān)注.其早期發(fā)展的動力主要來源于光通信領(lǐng)域中的應(yīng)用，如今被認(rèn)為可廣泛用于顯示、光伏、成像、照明、傳感等領(lǐng)域[1].集成光路具有非常好的可擴(kuò)展性，因而能應(yīng)用于大規(guī)模集成，以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能.然而集成規(guī)模越大，其系統(tǒng)就越復(fù)雜，各部分之間的串?dāng)_、背向雜散光之間的有害干涉和不可預(yù)料的光通道對系統(tǒng)整體功能的損害就越為嚴(yán)重.針對光路中因?yàn)殡S機(jī)結(jié)構(gòu)缺陷散射的光返回諧振腔所引起的反饋會影響激光的穩(wěn)定性的問題，在光路中加入只允許單方向的光通過的光學(xué)元件，將光路中的激光光源與反饋光隔離開.避免以上問題，這一光學(xué)元件被稱為隔離器(isolator)，也叫做光二極管.如圖1所示，光從a1輸入，可以從b1、b2出去，但是a2輸入的光不能從b1出去.如同二極管在集成電路中是不可或缺的元件一樣，隔離器也必將是大規(guī)模集成光路能否研發(fā)成功的關(guān)鍵元件.

圖1　隔離器功能示意圖Fig.1　Schematic diagram of isolator function

隔離器的功能要求它是一種非互易(nonreciprocal)光學(xué)元件，理論上它必須能打破洛倫茲互易原理(Lorentz reciprocity)，使系統(tǒng)的時間反演對稱性不復(fù)成立[2].磁光效應(yīng)(如法拉第旋光效應(yīng))是實(shí)現(xiàn)非互易的途徑之一.在傳統(tǒng)的分立元件光路中，隔離器正是以法拉第旋光器作為主體部件加上偏振片構(gòu)造而成的(圖2).這也是目前所有市售隔離器所采用的基本結(jié)構(gòu).

圖2　分立元件光路中的磁光隔離器原理圖Fig.2　Principle diagram of discrete element magneto-optical isolator in optical path

具有磁光效應(yīng)的材料稱為磁光材料，磁光類隔離器由磁光材料和外加強(qiáng)磁場構(gòu)成.磁光材料的生長與普通的硅基材料不兼容，另外具有好的磁光效應(yīng)的材料光學(xué)吸收很大，外加磁場則使元器件尺寸過大.這也是人們轉(zhuǎn)向其它方式實(shí)現(xiàn)非互易性的原因.目前磁光類隔離器的集成化研究正在克服這些困難.有國外研究小組以磁光氧化物薄膜覆蓋絕緣體上硅(SOI)的方式及采用回音壁模式(whispering gallery mode：WGM)腔結(jié)構(gòu)的設(shè)計，依據(jù)沃伊特(Voigt)效應(yīng)制作了長290 μm、隔離度19.5 dB的集成磁光隔離器[3].國內(nèi)也有研究組對集成磁光隔離器作了長期持續(xù)的研究，在非互易理論、磁光材料仿真軟件研發(fā)、材料鍵合和器件設(shè)計上做了系統(tǒng)的研究工作.如江曉清研究組在磁光波導(dǎo)上添加小于10 nm的氣隙，使得非互易變換率提高了4倍[4].此外以磁光光子晶體為基礎(chǔ)材料也可以制作集成光隔離器[5-6].如S Fan等人在磁光光子晶體層中，應(yīng)用引導(dǎo)諧振的方法提高了磁光效應(yīng)，制得超緊湊型光隔離器[5].

近年來，隨著硅基光子學(xué)的快速發(fā)展，與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor：CMOS)制作工藝相容的光電集成方式漸漸成為研究者競相追求的新目標(biāo).因此，除了繼續(xù)研究磁光類隔離器的集成之外，研究者開始探討研發(fā)非磁光集成光隔離器的可能性.目前，打破洛倫茲互易原理的非磁光方法有多種，其中牽涉到豐富的光與物質(zhì)相互作用效應(yīng)，如：熱非線性效應(yīng)[7-8]、自相位調(diào)制[9]、增益飽和效應(yīng)[10]、腔光機(jī)械[11]、非直接的帶間躍遷[12-13]、光聲效應(yīng)[14]等.這些效應(yīng)大體上可分為兩類：非線性和動態(tài)調(diào)控.本文將分別介紹這兩類的最新研究進(jìn)展.

1　非線性

正常的線性材料中，傳播媒介的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率與光的傳播方向無關(guān).但是在非線性材料中，這一點(diǎn)卻明顯不同：非線性材料的物理特性會隨傳播中光的強(qiáng)度發(fā)生變化，光的強(qiáng)度隨著傳播距離的增加會逐漸損耗衰退.這就導(dǎo)致媒介的折射率分布與光的傳播方向緊密相關(guān)，以上也是利用光在非線性材料中傳播的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)非互易效應(yīng)的基本原理.這種方式一般與諧振腔相結(jié)合，達(dá)到足夠高的場強(qiáng).

非線性效應(yīng)中，許多研究組利用微環(huán)腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了光的非互易性傳輸.如有研究者利用光學(xué)諧振腔與光波導(dǎo)耦合[7-15](圖3).

圖3　微腔與光波導(dǎo)耦合模式圖[7-16]Fig.3　Coupling mode of microcavity and optical waveguide[7-16]

主要原理是通過調(diào)整兩微腔與光波導(dǎo)的間距G，使得光波于正反兩個方向上的耦合呈現(xiàn)非互易性.該裝置的最大特點(diǎn)就是與CMOS集成技術(shù)兼容，在帶寬約為0.04 nm的范圍內(nèi)其隔離度可達(dá)到25 dB，在不加泵浦態(tài)能量時也可達(dá)到18 dB的隔離度[15].可以消除集成光路系統(tǒng)中因反向光帶來的影響.當(dāng)然，其局限性在于要發(fā)生非互易耦合需較高的激光輸入功率(85 μW)，且存在一定的插入損耗，可在提高微腔品質(zhì)因數(shù)Q的情況下加以改善.添加鈦-微環(huán)加熱器后，實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的結(jié)果顯示插入損耗為15.5 dB，非互易導(dǎo)通率可達(dá)40 dB[16].

為了解決上述微腔中存在的帶寬不足、兩微腔的諧振波長不一致問題和降低對微腔諧振波長的熱調(diào)控要求.研究者提出，讓兩級聯(lián)微腔根據(jù)輸入信號的不同，在正反方向上分別工作(類似于電路中的推挽式電路)[17].利用硅的熱光效應(yīng)，將工作帶寬擴(kuò)大到了0.15 nm，并實(shí)現(xiàn)10 dB的隔離度，且因不需外加磁場和電光調(diào)制進(jìn)一步地簡化了裝置(圖4).

此外，因犧牲單方向的最大傳輸率而獲得高隔離度的局限性，有研究者利用兩微腔奇偶對稱性來實(shí)現(xiàn)的非互易傳輸[18]，主要原理是基于非線性布拉格微腔的雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)(圖5).

圖4　推挽式光非互易傳輸模式圖[17]Fig.4　Pattern of push-pull optical nonreciprocal transmission[17]

圖5　光二極管的多層結(jié)構(gòu)[18]Fig.5　Schematic of optical diode in the form of multilayered structure[18]

該裝置的隔離度大約為10-20 dB，其插入損耗相對光信號的通過率來說是可以忽略的，從而可以通過級聯(lián)的方式提高其隔離度.另一優(yōu)勢就是輸入信號光的強(qiáng)度可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化.

研究者利用聚苯乙烯的反映時間短(10-20 fs)，非線性系數(shù)大等特點(diǎn)，借助克爾效應(yīng)在聚苯乙烯制成的光子晶體諧振腔內(nèi)也實(shí)現(xiàn)了光的單向傳輸[19].與硅基材料相比，該設(shè)計降低了光波導(dǎo)的耗散和提高了微腔品質(zhì)因數(shù)Q，從而降低了激發(fā)微腔非線性的閾值.

類似的基于級聯(lián)光子晶體微腔實(shí)現(xiàn)非互易性傳輸[20]裝置如圖6所示.

圖6　(a)級聯(lián)光子晶體微腔結(jié)構(gòu)；(b)實(shí)驗(yàn)傳輸光譜[20]Fig.6　(a)Structure of cascaded photonic crystal cavities；(b)spectrum of experimental transmission[20]

由微腔的高品質(zhì)因數(shù)和小模式容量激發(fā)強(qiáng)非線性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明λ0=1540.76 nm時的隔離度可達(dá)30.8 dB，其插入損耗為8.3 dB，并且克服了兩微腔的不匹配性.數(shù)值模擬的結(jié)果同實(shí)驗(yàn)值符合很好.

非線性型隔離器的原理和局限性我們可以用酒吧常見的彈簧門(圖7)做一個類比.彈簧門有打開和關(guān)閉兩種狀態(tài)(雙穩(wěn)態(tài))，通常處于關(guān)閉的狀態(tài).假設(shè)門軸彈簧的勁度系數(shù)很高，小孩(信號光)因?yàn)榱庑?光強(qiáng)弱)無法改變門(介質(zhì))的狀態(tài)，所以不能通過.小孩長大(增加光強(qiáng))或者有一位大人(控制光)幫助推開門，此時小孩才能通過.普通的門可雙向通過，將門框上釘鎖止木條可以改造成為單向門(隔離器)，如圖7(右)所示.此時，門里面的人無論力氣多大也沒法推開門(反向阻斷).不過在門外的大人推開門的同時，門里(反向雜散光)、門外(正向信號光)的小孩都可以通過.

圖7　和非線性隔離器做類比的彈簧門.(a)雙向門；(b)單向門Fig.7　A swing door compare with nonlinear isolator.(a)Bidirectional door，(b)unidirectional door

2　動態(tài)調(diào)控

對波導(dǎo)介質(zhì)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的動態(tài)調(diào)控，能夠使這些參數(shù)本身帶有方向性.恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計可以讓波導(dǎo)中模式的非彈性散射沿單一方向滿足相位匹配條件，以此打破互易性原理實(shí)現(xiàn)光隔離.

研究人員以非直接光子帶間躍遷類比電子的非直接帶隙躍遷，設(shè)計動態(tài)波導(dǎo)得到與CMOS工藝相容的光子集成隔離器.如果犧牲部分帶寬，雙模式共振腔的設(shè)計可以將元件尺寸減小到微米量級[12]，其基本結(jié)構(gòu)為馬赫曾德爾干涉儀(圖8)[21-22].

圖8　(a)馬赫曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)；(b)光子帶間傳輸模式[22]Fig.8　(a)Schematic of Mach-Zehnder interferometer；(b)interband photonic transition mode[22]

光正向通過調(diào)制區(qū)域時滿足相位匹配條件，對信號光附加相移π，光只從port3輸出.而反方向上，光從port3進(jìn)入.經(jīng)過調(diào)制區(qū)域時，因不滿足相位匹配條件，故光從port2輸出，達(dá)到隔離器的效果.該裝置的優(yōu)點(diǎn)是在低插入損耗(6.5 dB)的情況下可以達(dá)到20 dB的隔離度和7 nm的帶寬.此外，將其和回音壁式諧振腔結(jié)合，基于諧振腔的布里淵散射也得到很好的非互易效果[23].

基于電調(diào)制的非互易性光子帶間傳輸?shù)墓飧綦x器[24]如圖9所示，

圖9　(a)電調(diào)制模式；(b)單向傳輸圖[24]Fig.9　(a)Schematic of electrically driven isolator；(b)unidirectional propagation[24]

通過電信號驅(qū)動調(diào)節(jié)波導(dǎo)的傳輸系數(shù)，正方向上是相位不匹配的，光正常通過.在反方向上，實(shí)現(xiàn)光子帶間傳輸(即兩光學(xué)模式的橫向本征量屬于不同的光子帶)，達(dá)到隔離的效果，且不受光頻段的限制.但由于高速調(diào)制器的一般頻率處于GHz量級，所以要求兩橫向特征模式頻率需有GHz的差值，對調(diào)制裝置要求較高.

3　其　它

因硅的雙光子吸收效應(yīng)受近紅外波段(1.1 -2.2 μm)的限制[25]，而中外波段在光譜分析，空間遙感方面的應(yīng)用也極為廣泛[26-27].為此，有研究組重新設(shè)計兩個可調(diào)諧的微環(huán)腔結(jié)構(gòu)，利用自相位調(diào)制效應(yīng)把全硅基隔離器擴(kuò)展到紅外波段，其非互易導(dǎo)通率大于20 dB[9](圖10).

圖10　硅基環(huán)形腔中紅外全光二極管結(jié)構(gòu)示意圖[9]Fig.10　Schematic diagram of infrared all optical diode structure in the ring cavity of silicon[9]

圖11　PT對稱模式結(jié)構(gòu)[33-34]Fig.11　Parity-time symmetric mode structure[33-34]

此外，有研究者利用對光柵和光子晶體的復(fù)合結(jié)構(gòu)[28]晶格間距的設(shè)置來調(diào)節(jié)光傳輸?shù)恼凵渎?，?gòu)造了類似于“三明治層狀”的光柵晶格結(jié)構(gòu)[29-30]，也實(shí)現(xiàn)了光的非對稱傳輸，但這并不是真正意義上的隔離器[2].

最近，研究者意識到基于宇稱-時間(Parity-time：PT)對稱結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)會展現(xiàn)出許多奇特的性質(zhì).首先在波導(dǎo)耦合系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了這種宇稱-時間對稱的結(jié)構(gòu).相關(guān)研究組提出一種新穎的宇稱時間對稱變換機(jī)制[31-33]：借助兩個回音壁模式微腔的耦合方式，將其中一個微腔摻雜鉺離子作為增益腔，另一個作為損耗腔，在輸入功率很低的情況下打破宇稱對稱性，并通過微納光纖波導(dǎo)將光耦合進(jìn)入和輸出，觀察到了非互易性傳輸(圖11).

實(shí)驗(yàn)和理論模擬結(jié)果顯示，增加泵浦光源功率至一定(192.9 μW)時，對增益腔的增益達(dá)到飽和誘發(fā)光學(xué)非線性，從而打破了時間反演對稱性實(shí)現(xiàn)非互易性傳輸.信號光的閾值已降低至(11.4 nW)，使得光隔離器在集成芯片上具有極高的靈敏度.同時還可以實(shí)現(xiàn)傳輸方向的變換，得到隔離度在-8 dB到8 dB之間可調(diào)的隔離器[10].在這期間，有研究組利用宇稱對稱的光柵與非線性布拉格反射微腔結(jié)構(gòu)也實(shí)現(xiàn)了光的單向傳輸[35].

對集成光隔離器的研究不但有應(yīng)用價值，還豐富了非互易的理論，具有一定的物理深度.國外研究人員從Onsager-Casimir互易原理出發(fā)，設(shè)計具有角向偏置的環(huán)腔，解開微腔中正反傳播模式的簡并，該腔與波導(dǎo)耦合將具有隔離效果[36].實(shí)驗(yàn)研究者仿照聲學(xué)環(huán)路器[37]的設(shè)計制作了光學(xué)環(huán)路器[38].對非互易的研究還促進(jìn)了光子晶體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[39]和量子霍爾效應(yīng)模擬[40]的發(fā)展.

4　結(jié)　論

本文從實(shí)際背景出發(fā)，首先說明了隔離器在集成光路及未來的量子計算、模擬等集成芯片方面的關(guān)鍵作用.然后，根據(jù)其特征、作用，對相應(yīng)隔離器有了明確的定義.基于實(shí)現(xiàn)互易性傳輸?shù)幕纠碚摚U述了幾種實(shí)現(xiàn)非互易性的基本方式，并依據(jù)隔離器的原理將其分為磁光型、非線性型、時諧型(動態(tài)調(diào)控).對幾種方式進(jìn)行了簡單的說明及其典型的實(shí)現(xiàn)方式，指出各種方式的優(yōu)勢及其局限性，討論了各類方法所能達(dá)到的隔離度，器件尺寸，插入損耗，帶寬等參數(shù)的極限(表1)，為今后有相關(guān)興趣的研究者提供參考.

表1　各類隔離器的相關(guān)參數(shù)及局限性