哈佛大学开发出可与光芯片无缝集成的光隔离器

2023-07-05 18:07

近日，哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的一组研究人员开发了一种方法，他们打造了一个高效的集成隔离器，该隔离器可以无缝地集成到由铌酸锂制成的光学芯片中。他们的研究结果发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）杂志上。据悉，SEAS开发的这种光隔离器可以在许多实际应用中大大改善光学系统。

由四个不同调制长度的器件组成的薄膜铌酸锂电光隔离芯片的光学显微照片。（图片来源：Loncar Lab／Harvard SEAS）

所有用于电信、显微镜、成像、量子光子学等领域的光学系统，都依赖于激光来产生光子和光束。为了防止这些激光损坏和不稳定，这些系统还需要隔离器（即防止光线向不希望的方向传播的组件）。隔离器也有助于减少信号噪声，防止光线不受限制地反弹。但是传统的隔离器体积相对较大，并且需要多种材料连接在一起，因而要实现增强的性能并不容易。

领导上述团队的电气工程师Marko Loncar指出，他们建造了一种装置，可以让激光发射的光不受改变地传播，而反射回激光的反射光改变了颜色，并从激光中重新布线。他表示：“这是通过向反射光信号的方向发送电信号来实现的，从而利用了铌酸锂优异的电光特性。在这种特性中，可以施加电压来改变光信号的特性，包括速度和颜色。”

“我们想为激光创造一个更安全的工作环境，通过设计这条单行道，我们可以保护设备免受激光反射的影响，”该论文的第一作者之一、前朗卡尔实验室博士后研究员Mengjie Yu表示，“据我们所知，与所有其他集成隔离器的演示相比，该设备具有世界上最好的光学隔离性能。除了隔离之外，它在所有指标上都具有最具竞争力的性能，包括损耗、能效和可调性。”

这个设备的特殊之处在于，它的核心非常简单——它实际上只有一个调制器。之前所有类似的工程研究都需要多个谐振器和调制器，而他们之所以能做到这一点，则是因为铌酸锂本身的性质。

这种高性能和高效率表现，背后的另一个原因与设备的尺寸有关——该团队在哈佛的纳米级系统中心制造了一个厚度为600纳米的芯片，蚀刻（使用规定的纳米结构来引导光线）的深度达到320纳米。

该平台更小的尺寸和超低损耗特性也提高了其光功率。由于光不需要传播那么远，所以衰减和功率损失更少。

该团队展示了该设备可以成功地保护芯片上的激光免受外部反射。据介绍，他们是首个在光隔离器的保护下展示激光相位稳定运行的团队。这一进展代表了实用、高性能光学芯片的重大飞跃，它可以与一系列激光波长一起使用，只需要反向传播的电信号就可以达到预期的效果。将光学系统的所有方面集成到单个芯片上，可以取代许多更大、更昂贵、效率更低的系统。