非磁光集成隔离器的研究进展

罗强，乔红贞，曾高杰，李成浩，舒方杰

(商丘师范学院 电子电气工程学院，河南 商丘 476000)

0　引　言

集成光路是类比集成电路将光波导和微光学器件集成起来构成特定功能的光学芯片，它不但功耗低、尺寸小、造价低廉，而且性能优越、可靠性高，因此日益受到人们的关注.其早期发展的动力主要来源于光通信领域中的应用，如今被认为可广泛用于显示、光伏、成像、照明、传感等领域[1].集成光路具有非常好的可扩展性，因而能应用于大规模集成，以实现更复杂的功能.然而集成规模越大，其系统就越复杂，各部分之间的串扰、背向杂散光之间的有害干涉和不可预料的光通道对系统整体功能的损害就越为严重.针对光路中因为随机结构缺陷散射的光返回谐振腔所引起的反馈会影响激光的稳定性的问题，在光路中加入只允许单方向的光通过的光学元件，将光路中的激光光源与反馈光隔离开.避免以上问题，这一光学元件被称为隔离器(isolator)，也叫做光二极管.如图1所示，光从a1输入，可以从b1、b2出去，但是a2输入的光不能从b1出去.如同二极管在集成电路中是不可或缺的元件一样，隔离器也必将是大规模集成光路能否研发成功的关键元件.

图1　隔离器功能示意图Fig.1　Schematic diagram of isolator function

隔离器的功能要求它是一种非互易(nonreciprocal)光学元件，理论上它必须能打破洛伦兹互易原理(Lorentz reciprocity)，使系统的时间反演对称性不复成立[2].磁光效应(如法拉第旋光效应)是实现非互易的途径之一.在传统的分立元件光路中，隔离器正是以法拉第旋光器作为主体部件加上偏振片构造而成的(图2).这也是目前所有市售隔离器所采用的基本结构.

图2　分立元件光路中的磁光隔离器原理图Fig.2　Principle diagram of discrete element magneto-optical isolator in optical path

具有磁光效应的材料称为磁光材料，磁光类隔离器由磁光材料和外加强磁场构成.磁光材料的生长与普通的硅基材料不兼容，另外具有好的磁光效应的材料光学吸收很大，外加磁场则使元器件尺寸过大.这也是人们转向其它方式实现非互易性的原因.目前磁光类隔离器的集成化研究正在克服这些困难.有国外研究小组以磁光氧化物薄膜覆盖绝缘体上硅(SOI)的方式及采用回音壁模式(whispering gallery mode：WGM)腔结构的设计，依据沃伊特(Voigt)效应制作了长290 μm、隔离度19.5 dB的集成磁光隔离器[3].国内也有研究组对集成磁光隔离器作了长期持续的研究，在非互易理论、磁光材料仿真软件研发、材料键合和器件设计上做了系统的研究工作.如江晓清研究组在磁光波导上添加小于10 nm的气隙，使得非互易变换率提高了4倍[4].此外以磁光光子晶体为基础材料也可以制作集成光隔离器[5-6].如S Fan等人在磁光光子晶体层中，应用引导谐振的方法提高了磁光效应，制得超紧凑型光隔离器[5].

近年来，随着硅基光子学的快速发展，与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor：CMOS)制作工艺相容的光电集成方式渐渐成为研究者竞相追求的新目标.因此，除了继续研究磁光类隔离器的集成之外，研究者开始探讨研发非磁光集成光隔离器的可能性.目前，打破洛伦兹互易原理的非磁光方法有多种，其中牵涉到丰富的光与物质相互作用效应，如：热非线性效应[7-8]、自相位调制[9]、增益饱和效应[10]、腔光机械[11]、非直接的带间跃迁[12-13]、光声效应[14]等.这些效应大体上可分为两类：非线性和动态调控.本文将分别介绍这两类的最新研究进展.

1　非线性

正常的线性材料中，传播媒介的介电常数和磁导率与光的传播方向无关.但是在非线性材料中，这一点却明显不同：非线性材料的物理特性会随传播中光的强度发生变化，光的强度随着传播距离的增加会逐渐损耗衰退.这就导致媒介的折射率分布与光的传播方向紧密相关，以上也是利用光在非线性材料中传播的特点实现非互易效应的基本原理.这种方式一般与谐振腔相结合，达到足够高的场强.

非线性效应中，许多研究组利用微环腔结构实现了光的非互易性传输.如有研究者利用光学谐振腔与光波导耦合[7-15](图3).

图3　微腔与光波导耦合模式图[7-16]Fig.3　Coupling mode of microcavity and optical waveguide[7-16]

主要原理是通过调整两微腔与光波导的间距G，使得光波于正反两个方向上的耦合呈现非互易性.该装置的最大特点就是与CMOS集成技术兼容，在带宽约为0.04 nm的范围内其隔离度可达到25 dB，在不加泵浦态能量时也可达到18 dB的隔离度[15].可以消除集成光路系统中因反向光带来的影响.当然，其局限性在于要发生非互易耦合需较高的激光输入功率(85 μW)，且存在一定的插入损耗，可在提高微腔品质因数Q的情况下加以改善.添加钛-微环加热器后，实验优化的结果显示插入损耗为15.5 dB，非互易导通率可达40 dB[16].

为了解决上述微腔中存在的带宽不足、两微腔的谐振波长不一致问题和降低对微腔谐振波长的热调控要求.研究者提出，让两级联微腔根据输入信号的不同，在正反方向上分别工作(类似于电路中的推挽式电路)[17].利用硅的热光效应，将工作带宽扩大到了0.15 nm，并实现10 dB的隔离度，且因不需外加磁场和电光调制进一步地简化了装置(图4).

此外，因牺牲单方向的最大传输率而获得高隔离度的局限性，有研究者利用两微腔奇偶对称性来实现的非互易传输[18]，主要原理是基于非线性布拉格微腔的双稳态效应(图5).

图4　推挽式光非互易传输模式图[17]Fig.4　Pattern of push-pull optical nonreciprocal transmission[17]

图5　光二极管的多层结构[18]Fig.5　Schematic of optical diode in the form of multilayered structure[18]

该装置的隔离度大约为10-20 dB，其插入损耗相对光信号的通过率来说是可以忽略的，从而可以通过级联的方式提高其隔离度.另一优势就是输入信号光的强度可以在一定范围内连续变化.

研究者利用聚苯乙烯的反映时间短(10-20 fs)，非线性系数大等特点，借助克尔效应在聚苯乙烯制成的光子晶体谐振腔内也实现了光的单向传输[19].与硅基材料相比，该设计降低了光波导的耗散和提高了微腔品质因数Q，从而降低了激发微腔非线性的阈值.

类似的基于级联光子晶体微腔实现非互易性传输[20]装置如图6所示.

图6　(a)级联光子晶体微腔结构；(b)实验传输光谱[20]Fig.6　(a)Structure of cascaded photonic crystal cavities；(b)spectrum of experimental transmission[20]

由微腔的高品质因数和小模式容量激发强非线性，实验结果表明λ0=1540.76 nm时的隔离度可达30.8 dB，其插入损耗为8.3 dB，并且克服了两微腔的不匹配性.数值模拟的结果同实验值符合很好.

非线性型隔离器的原理和局限性我们可以用酒吧常见的弹簧门(图7)做一个类比.弹簧门有打开和关闭两种状态(双稳态)，通常处于关闭的状态.假设门轴弹簧的劲度系数很高，小孩(信号光)因为力气小(光强弱)无法改变门(介质)的状态，所以不能通过.小孩长大(增加光强)或者有一位大人(控制光)帮助推开门，此时小孩才能通过.普通的门可双向通过，将门框上钉锁止木条可以改造成为单向门(隔离器)，如图7(右)所示.此时，门里面的人无论力气多大也没法推开门(反向阻断).不过在门外的大人推开门的同时，门里(反向杂散光)、门外(正向信号光)的小孩都可以通过.

图7　和非线性隔离器做类比的弹簧门.(a)双向门；(b)单向门Fig.7　A swing door compare with nonlinear isolator.(a)Bidirectional door，(b)unidirectional door

2　动态调控

对波导介质介电常数和磁导率的动态调控，能够使这些参数本身带有方向性.恰当的设计可以让波导中模式的非弹性散射沿单一方向满足相位匹配条件，以此打破互易性原理实现光隔离.

研究人员以非直接光子带间跃迁类比电子的非直接带隙跃迁，设计动态波导得到与CMOS工艺相容的光子集成隔离器.如果牺牲部分带宽，双模式共振腔的设计可以将元件尺寸减小到微米量级[12]，其基本结构为马赫曾德尔干涉仪(图8)[21-22].

图8　(a)马赫曾德尔干涉仪结构；(b)光子带间传输模式[22]Fig.8　(a)Schematic of Mach-Zehnder interferometer；(b)interband photonic transition mode[22]

光正向通过调制区域时满足相位匹配条件，对信号光附加相移π，光只从port3输出.而反方向上，光从port3进入.经过调制区域时，因不满足相位匹配条件，故光从port2输出，达到隔离器的效果.该装置的优点是在低插入损耗(6.5 dB)的情况下可以达到20 dB的隔离度和7 nm的带宽.此外，将其和回音壁式谐振腔结合，基于谐振腔的布里渊散射也得到很好的非互易效果[23].

基于电调制的非互易性光子带间传输的光隔离器[24]如图9所示，

图9　(a)电调制模式；(b)单向传输图[24]Fig.9　(a)Schematic of electrically driven isolator；(b)unidirectional propagation[24]

通过电信号驱动调节波导的传输系数，正方向上是相位不匹配的，光正常通过.在反方向上，实现光子带间传输(即两光学模式的横向本征量属于不同的光子带)，达到隔离的效果，且不受光频段的限制.但由于高速调制器的一般频率处于GHz量级，所以要求两横向特征模式频率需有GHz的差值，对调制装置要求较高.

3　其　它

因硅的双光子吸收效应受近红外波段(1.1 -2.2 μm)的限制[25]，而中外波段在光谱分析，空间遥感方面的应用也极为广泛[26-27].为此，有研究组重新设计两个可调谐的微环腔结构，利用自相位调制效应把全硅基隔离器扩展到红外波段，其非互易导通率大于20 dB[9](图10).

图10　硅基环形腔中红外全光二极管结构示意图[9]Fig.10　Schematic diagram of infrared all optical diode structure in the ring cavity of silicon[9]

图11　PT对称模式结构[33-34]Fig.11　Parity-time symmetric mode structure[33-34]

此外，有研究者利用对光栅和光子晶体的复合结构[28]晶格间距的设置来调节光传输的折射率，构造了类似于“三明治层状”的光栅晶格结构[29-30]，也实现了光的非对称传输，但这并不是真正意义上的隔离器[2].

最近，研究者意识到基于宇称-时间(Parity-time：PT)对称结构的光学系统会展现出许多奇特的性质.首先在波导耦合系统中，实现了这种宇称-时间对称的结构.相关研究组提出一种新颖的宇称时间对称变换机制[31-33]：借助两个回音壁模式微腔的耦合方式，将其中一个微腔掺杂铒离子作为增益腔，另一个作为损耗腔，在输入功率很低的情况下打破宇称对称性，并通过微纳光纤波导将光耦合进入和输出，观察到了非互易性传输(图11).

实验和理论模拟结果显示，增加泵浦光源功率至一定(192.9 μW)时，对增益腔的增益达到饱和诱发光学非线性，从而打破了时间反演对称性实现非互易性传输.信号光的阈值已降低至(11.4 nW)，使得光隔离器在集成芯片上具有极高的灵敏度.同时还可以实现传输方向的变换，得到隔离度在-8 dB到8 dB之间可调的隔离器[10].在这期间，有研究组利用宇称对称的光栅与非线性布拉格反射微腔结构也实现了光的单向传输[35].

对集成光隔离器的研究不但有应用价值，还丰富了非互易的理论，具有一定的物理深度.国外研究人员从Onsager-Casimir互易原理出发，设计具有角向偏置的环腔，解开微腔中正反传播模式的简并，该腔与波导耦合将具有隔离效果[36].实验研究者仿照声学环路器[37]的设计制作了光学环路器[38].对非互易的研究还促进了光子晶体拓扑结构[39]和量子霍尔效应模拟[40]的发展.

4　结　论

本文从实际背景出发，首先说明了隔离器在集成光路及未来的量子计算、模拟等集成芯片方面的关键作用.然后，根据其特征、作用，对相应隔离器有了明确的定义.基于实现互易性传输的基本理论，阐述了几种实现非互易性的基本方式，并依据隔离器的原理将其分为磁光型、非线性型、时谐型(动态调控).对几种方式进行了简单的说明及其典型的实现方式，指出各种方式的优势及其局限性，讨论了各类方法所能达到的隔离度，器件尺寸，插入损耗，带宽等参数的极限(表1)，为今后有相关兴趣的研究者提供参考.

表1　各类隔离器的相关参数及局限性