突破！斯坦福团队开发出芯片级无源超薄激光隔离器

2022-12-29 16:37

近日，来自斯坦福大学的研究团队宣布，他们成功地用硅制造了一种有效的无源超薄激光隔离器。

硅基集成电路会遵循摩尔定律，并受到半导体技术进步的推动。如今随着光子集成电路的出现，研究人员们已经超越了传统的电路架构。然而，缺乏稳定可靠的硅芯片激光源，始终是限制硅光子集成电路潜力的一个主要障碍——每束激光都需要一个隔离器，来阻止反向反射进入激光并使其不稳定。

传统光纤光学系统和庞大的光学系统往往利用具备法拉第效应的光隔离器来进行激光的维护。这种方法虽然可以在芯片上复制，但其可伸缩性仍然是一个问题，因为它与CMOS（互补金属氧化物半导体）技术不兼容。另一方面，科学家们在制造无磁隔离器（不依赖法拉第效应）方面也已取得了进展，然而它们会导致整个系统变得复杂且耗电。

斯坦福大学的研究人员在他们发表于《自然·光子学》（Nature Photonics）杂志上的论文中提出，理想的隔离器应该是完全无源和无磁的，这样才能顺利实现与CMOS技术的可扩展和兼容。

他们用硅材料创造了一种有效的无源芯片级隔离器，可以铺在比一张纸薄数百倍的半导体材料层中。这种集成连续波隔离器具有“克尔效应”，它由易于大规模生产的常见半导体材料——氮化硅（SiN）制成。

突破！斯坦福团队开发出芯片级无源超薄激光隔离器

图片来源：Stanford University

“克尔效应”表明，各向同性物质在电场作用下变得双折射，而由光引起的电场会导致材料折射率的变化，这将与光辐照度成正比。后一种效应在激光等强光束下变得更加明显。

上述团队的研究结果显示，SiN环中的“克尔效应”打破了环的顺时针和逆时针模式之间的简并，并允许波以非对称方式传输。主激光束穿过SiN环，使光子沿顺时针方向绕环旋转。同时，反射光束使光子以逆时针方向自旋。环内的循环导致了能量的积聚。增加的功率会影响较弱的光束（在这种情况下是反射光束），而较强的光束不受影响。

斯坦福大学电气工程教授、该研究的资深作者Jelena vukovovic和她的团队建立了一个原型作为概念证明，并演示了级联两个环形隔离器的耦合以实现优越的性能。他们还报告称，通过改变环形谐振器的耦合，他们可以权衡与耦合相关的隔离和损失。

接下来，研究人员计划进一步研究不同光频率的隔离器，并将致力于缩小这些组件，以探索芯片级隔离器的其他应用。