隔离|破解集成光学大难题：芯片级无源光隔离器成功面世( 二 ) 芯片|激光器|半导体|新型冠状

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) 。