非磁光集成隔離器的研究進展

羅強，喬紅貞，曾高杰，李成浩，舒方杰

(商丘師范學院 電子電氣工程學院，河南 商丘 476000)

0　引　言

集成光路是類比集成電路將光波導和微光學器件集成起來構成特定功能的光學芯片，它不但功耗低、尺寸小、造價低廉，而且性能優越、可靠性高，因此日益受到人們的關注.其早期發展的動力主要來源于光通信領域中的應用，如今被認為可廣泛用于顯示、光伏、成像、照明、傳感等領域[1].集成光路具有非常好的可擴展性，因而能應用于大規模集成，以實現更復雜的功能.然而集成規模越大，其系統就越復雜，各部分之間的串擾、背向雜散光之間的有害干涉和不可預料的光通道對系統整體功能的損害就越為嚴重.針對光路中因為隨機結構缺陷散射的光返回諧振腔所引起的反饋會影響激光的穩定性的問題，在光路中加入只允許單方向的光通過的光學元件，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模集成光路能否研發成功的關鍵元件.

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)光學元件，理論上它必須能打破洛倫茲互易原理(Lorentz reciprocity)，使系統的時間反演對稱性不復成立[2].磁光效應(如法拉第旋光效應)是實現非互易的途徑之一.在傳統的分立元件光路中，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構.

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

具有磁光效應的材料稱為磁光材料，磁光類隔離器由磁光材料和外加強磁場構成.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的材料光學吸收很大，外加磁場則使元器件尺寸過大.這也是人們轉向其它方式實現非互易性的原因.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)腔結構的設計，依據沃伊特(Voigt)效應制作了長290 μm、隔離度19.5 dB的集成磁光隔離器[3].國內也有研究組對集成磁光隔離器作了長期持續的研究，在非互易理論、磁光材料仿真軟件研發、材料鍵合和器件設計上做了系統的研究工作.如江曉清研究組在磁光波導上添加小于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，應用引導諧振的方法提高了磁光效應，制得超緊湊型光隔離器[5].

近年來，隨著硅基光子學的快速發展，與互補金屬氧化物半導體(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.因此，除了繼續研究磁光類隔離器的集成之外，研究者開始探討研發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相互作用效應，如：熱非線性效應[7-8]、自相位調制[9]、增益飽和效應[10]、腔光機械[11]、非直接的帶間躍遷[12-13]、光聲效應[14]等.這些效應大體上可分為兩類：非線性和動態調控.本文將分別介紹這兩類的最新研究進展.

1　非線性

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

非線性效應中，許多研究組利用微環腔結構實現了光的非互易性傳輸.如有研究者利用光學諧振腔與光波導耦合[7-15](圖3).

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

主要原理是通過調整兩微腔與光波導的間距G，使得光波于正反兩個方向上的耦合呈現非互易性.該裝置的最大特點就是與CMOS集成技術兼容，在帶寬約為0.04 nm的范圍內其隔離度可達到25 dB，在不加泵浦態能量時也可達到18 dB的隔離度[15].可以消除集成光路系統中因反向光帶來的影響.當然，其局限性在于要發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，可在提高微腔品質因數Q的情況下加以改善.添加鈦-微環加熱器后，實驗優化的結果顯示插入損耗為15.5 dB，非互易導通率可達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控要求.研究者提出，讓兩級聯微腔根據輸入信號的不同，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，將工作帶寬擴大到了0.15 nm，并實現10 dB的隔離度，且因不需外加磁場和電光調制進一步地簡化了裝置(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現的非互易傳輸[18]，主要原理是基于非線性布拉格微腔的雙穩態效應(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　光二極管的多層結構[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，從而可以通過級聯的方式提高其隔離度.另一優勢就是輸入信號光的強度可以在一定范圍內連續變化.

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

類似的基于級聯光子晶體微腔實現非互易性傳輸[20]裝置如圖6所示.

圖6　(a)級聯光子晶體微腔結構；(b)實驗傳輸光譜[20]Fig.6　(a)Structure of cascaded photonic crystal cavities；(b)spectrum of experimental transmission[20]

由微腔的高品質因數和小模式容量激發強非線性，實驗結果表明λ0=1540.76 nm時的隔離度可達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.數值模擬的結果同實驗值符合很好.

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.彈簧門有打開和關閉兩種狀態(雙穩態)，通常處于關閉的狀態.假設門軸彈簧的勁度系數很高，小孩(信號光)因為力氣小(光強弱)無法改變門(介質)的狀態，所以不能通過.小孩長大(增加光強)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　動態調控

對波導介質介電常數和磁導率的動態調控，能夠使這些參數本身帶有方向性.恰當的設計可以讓波導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現光隔離.

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，設計動態波導得到與CMOS工藝相容的光子集成隔離器.如果犧牲部分帶寬，雙模式共振腔的設計可以將元件尺寸減小到微米量級[12]，其基本結構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構；(b)光子帶間傳輸模式[22]Fig.8　(a)Schematic of Mach-Zehnder interferometer；(b)interband photonic transition mode[22]

光正向通過調制區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進入.經過調制區域時，因不滿足相位匹配條件，故光從port2輸出，達到隔離器的效果.該裝置的優點是在低插入損耗(6.5 dB)的情況下可以達到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].

基于電調制的非互易性光子帶間傳輸的光隔離器[24]如圖9所示，

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

通過電信號驅動調節波導的傳輸系數，正方向上是相位不匹配的，光正常通過.在反方向上，實現光子帶間傳輸(即兩光學模式的橫向本征量屬于不同的光子帶)，達到隔離的效果，且不受光頻段的限制.但由于高速調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，對調制裝置要求較高.

3　其　它

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

圖10　硅基環形腔中紅外全光二極管結構示意圖[9]Fig.10　Schematic diagram of infrared all optical diode structure in the ring cavity of silicon[9]

圖11　PT對稱模式結構[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合結構[28]晶格間距的設置來調節光傳輸的折射率，構造了類似于“三明治層狀”的光柵晶格結構[29-30]，也實現了光的非對稱傳輸，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)對稱結構的光學系統會展現出許多奇特的性質.首先在波導耦合系統中，實現了這種宇稱-時間對稱的結構.相關研究組提出一種新穎的宇稱時間對稱變換機制[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將光耦合進入和輸出，觀察到了非互易性傳輸(圖11).

實驗和理論模擬結果顯示，增加泵浦光源功率至一定(192.9 μW)時，對增益腔的增益達到飽和誘發光學非線性，從而打破了時間反演對稱性實現非互易性傳輸.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.同時還可以實現傳輸方向的變換，得到隔離度在-8 dB到8 dB之間可調的隔離器[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構也實現了光的單向傳輸[35].

對集成光隔離器的研究不但有應用價值，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，設計具有角向偏置的環腔，解開微腔中正反傳播模式的簡并，該腔與波導耦合將具有隔離效果[36].實驗研究者仿照聲學環路器[37]的設計制作了光學環路器[38].對非互易的研究還促進了光子晶體拓撲結構[39]和量子霍爾效應模擬[40]的發展.

4　結　論

本文從實際背景出發，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鍵作用.然后，根據其特征、作用，對相應隔離器有了明確的定義.基于實現互易性傳輸的基本理論，闡述了幾種實現非互易性的基本方式，并依據隔離器的原理將其分為磁光型、非線性型、時諧型(動態調控).對幾種方式進行了簡單的說明及其典型的實現方式，指出各種方式的優勢及其局限性，討論了各類方法所能達到的隔離度，器件尺寸，插入損耗，帶寬等參數的極限(表1)，為今后有相關興趣的研究者提供參考.

表1　各類隔離器的相關參數及局限性