斯坦福大學(xué)在硅光子非互易器件研究方面取得進(jìn)展

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，允許光沿相反方向不對(duì)稱傳播的非互易器件，是與硅光子平臺(tái)兼容的光通信、非線性信號(hào)處理和全光學(xué)電路的關(guān)鍵元件。從傳統(tǒng)意義上來講，自由空間光學(xué)器件的非互易性和隔離性是通過偏置磁光材料實(shí)現(xiàn)的，但該技術(shù)無法與CMOS工藝兼容。斯坦福大學(xué)研究人員結(jié)合了最新的制造技術(shù)和逆向設(shè)計(jì)，證明了硅基集成器件中無偏置、低損耗的非互易性傳輸。

左：?jiǎn)苇h(huán)器件（上圖）和級(jí)聯(lián)器件（下圖）的SEM圖像。右上方：幾個(gè)單環(huán)器件（藍(lán)點(diǎn)）和級(jí)聯(lián)器件（紅點(diǎn)）的傳輸與非互易性功率范圍的性能曲線。單環(huán)器件表現(xiàn)必定會(huì)落在陰影區(qū)域中。

該方法基于另一種非互易性方式，即將光學(xué)非線性與幾何不對(duì)稱性相結(jié)合。在不對(duì)稱雙端口諧振器中，輸入功率一定時(shí)，腔內(nèi)強(qiáng)度取決于激勵(lì)方向。強(qiáng)烈的χ非線性（例如硅的克爾效應(yīng)）會(huì)引起諧振器頻率的偏移，其變化程度取決于存儲(chǔ)強(qiáng)度，進(jìn)而取決于激勵(lì)端口。由于諧振器頻率控制著端口到端口的傳輸，因此這種機(jī)理會(huì)導(dǎo)致在某些功率范圍內(nèi)產(chǎn)生較大的非互易性，尤其是在設(shè)計(jì)高度不對(duì)稱Fano特征時(shí)。盡管受限于特定形式的激發(fā)，但這種方法引人關(guān)注，因?yàn)樗恍枰獠科脠?chǎng)，并且可以在標(biāo)準(zhǔn)的集成光學(xué)波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)。

該器件由一個(gè)單環(huán)諧振器組成，該諧振器通過逆向設(shè)計(jì)的耦合器側(cè)向耦合到波導(dǎo)上。背景反射率和幾何不對(duì)稱性可以通過耦合器的幾何形狀及其在波導(dǎo)中的位置任意改變。研究人員展示了在4.5 dBm的功率范圍內(nèi)傳輸差值大于20 dBm，低于1.1 dB的插入損耗也創(chuàng)下歷史記錄。

重要的是，發(fā)生非互易性的正向傳輸和功率范圍不是獨(dú)立的參數(shù)，不能同時(shí)達(dá)到最大值。通過表征不同器件，研究人員對(duì)此極限值進(jìn)行了首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過逆向設(shè)計(jì)的反射器對(duì)背景反射率進(jìn)行精確控制，能夠根據(jù)需要優(yōu)化兩項(xiàng)指標(biāo)。

為了突破必須同時(shí)權(quán)衡傳輸和功率范圍的限制，研究人員通過之前的實(shí)驗(yàn)證明，在距第一個(gè)硅環(huán)適當(dāng)距離處添加第二個(gè)硅環(huán)，能夠打破這一局限。該級(jí)聯(lián)器件的非互易性功率范圍為6.3 dB，前向發(fā)射高達(dá)98%，大大超過了單個(gè)諧振器的表現(xiàn)。

如原理證明中所示，這些無源、無偏置的非互易性器件對(duì)保護(hù)脈沖源特別有用，并且非常適用于飛行時(shí)間（ToF）激光雷達(dá)系統(tǒng)。從技術(shù)角度來看，亞分貝的插入損耗、簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)和自偏置操作，使這類器件極具吸引力，未來有望在集成光子芯片的非互易性信號(hào)路由中得到廣泛的應(yīng)用。

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