隔离|破解集成光学大难题：芯片级无源光隔离器成功面世( 三 ) 芯片|激光器|半导体|新型冠状

图1:工作原理。 a、集成非线性光学隔离器的工作原理示意图。图显示传输(T)与频率(ω) 。 b ，隔离器与驱动它的激光直接耦合的示意图，仅存在激光(红色) ，仅存在不必要的后向传输(蓝色)和具有后向传输的激光。当激光打开时，后向传输不再共振，激光被隔离。 c ，氮化硅器件的图像。比例尺， 100 μm 。 d ，理论(虚线)和实验(蓝色数据点)在不同输入泵功率和最大泵失谐时的反向传输，说明了洛伦兹传输形状。
这种隔离完全是通过环的内在非互易性来实现的，因此不需要额外的功率来运行。关键是，该操作不受动态互易性的影响。当backwards-propagating信号在频率相同的泵动态对等并不适用当一个信号以不同的频率的泵互惠但接近于零传动。此外重要的是要注意这种隔离率适用不仅对backwards-propagating信号与权力泵相比非常小但即使是相称的向后信号和比泵。当环内已经有泵浦功率循环时，反向波与腔体不共振。因此，消除模式分裂所需的输入功率实际上比泵浦的功率高许多倍。
由于这种类型的隔离器需要连续的泵浦功率(可以是连续波泵浦，也可以是在环自由光谱范围内脉冲的泵浦) ，但不需要额外的驱动或调制，因此它是直接隔离激光输出的理想选择(图1b) 。激光本身作为隔离的唯一驱动器，并且该设备不产生功耗，仅在穿越环时的插入损耗很小。不需要强磁场、有源光调制或大功率射频驱动器，设备操作不局限于单个光子平台或波长范围。
设备集成与测量
为了测量这些设备的隔离性，我们使用图2a所示的泵-探头设置。由于泵浦和探头来自同一激光器，因此它们具有相同的光学频率。对于第一组测量，如图2bc所示，泵浦和探头波长扫描环共振。在图2d中，泵保持固定。我们通过环发送一个大功率泵，同时调制并向相反方向发送一个低功率探头。然后我们扫描泵浦和探测共振和读取反向传输使用锁相放大器。在扫描过程中，泵热拉环，直到环在共振峰值时解锁。当激光接近环的频率时，更多的光功率耦合到共振中。由于一个小的线性材料吸收，这使环加热，使共振远离激光。这一直持续到激光频率匹配共振，并最大限度地耦合到环。一旦激光失谐超过这一点，环中的功率就会开始下降，使环冷却并坍缩到原来的共振位置。通过监测谐振峰值处的探头传输，我们可以获得隔离的直接测量。此外，通过改变泵浦功率，我们可以测量功率相关的隔离(图2bc) 。随着泵浦功率的增加，峰值隔离被红移，并按洛伦兹量缩放。我们发现，我们的测量结果(图2b)与一个具有洛伦兹功率依赖隔离的热拉环的简单模型(图2b ，插图)的预期传输之间非常一致。

图2:隔离测量。 a ，表征非线性光学隔离器的测量装置示意图。 EDFA ，掺铒光纤放大器;EOM ，电光调制器。 PC ，偏振控制器;LO 90千赫电子振荡器。 b ，依赖泵功率的向后传输测量。插图:理论泵功率依赖关系。插图中的线条颜色与主面板中的颜色相对应。 c ，相应的理论(虚线)和实验(蓝色数据点)器件隔离。数据点颜色对应于b. d中使用的颜色，随着泵功率的增加(0 mW 40 mW 80 mW)脉冲向后传输测量。插图显示了虚线框中绘图部分的放大图。 e ，反向传输的理论(虚线)和实验(蓝色数据点)频率依赖关系。在这里，探头被EOM分割成两个边带，这种边带分离用频率合成器进行扫频。正如预期的那样，向后频率响应与泵功率成比例地移位。
我们还用静态泵频验证了隔离器的运行。环仍然锁定在激光上，我们可以通过发送与泵浦频率相同的光脉冲直接测量设备的向后传输(图2d) 。在这里，谐振器锁定是通过调谐激光频率来启动的，但这也可以通过热调谐环来实现。由于最大传输和隔离发生在共振的峰值，此时共振不再跟随激光，锁定可能会受到环境温度变化的干扰。这可以通过环的热稳定来缓解。然而，巨大的热拉量允许在激光失谐方面有足够的开销:对于这个在90 mw输入功率下的器件，从解锁点开始的1 ghz失谐只对应于隔离降低0.3 db ，插入损耗增加0.15 db 。正因为如此，我们能够在接近最大传输的情况下工作，而不需要对光子隔离器芯片进行任何温度控制，并在实验期间保持稳定锁定。