芯片級氮化硅無源光隔離器

光隔離器是一種只允許單向光通過的無源光器件，其主要特點是：正向插入損耗低，反向隔離度高，回波損耗高。目前已經有多種片上光隔離方案，但這些方案大多依賴于磁光材料的集成或聲光或電光調制器的高頻調制。

近期，美國斯坦福大學 Vu?kovi?教授團隊聯合加州大學研究人員[1]，基于氮化硅材料設計了一種無源微納光隔離器，實現了單微環隔離度17-23dB，插入損耗1.8-5.5dB；級聯微環隔離度達到35dB，插入損耗 5dB。同時還將半導體激光二極管芯片對接耦合到氮化硅隔離器，在片上系統中驗證了光學隔離。這種光隔離器既可以有效穩定激光和降低噪聲，同時保障了激光輸出的安全性，有助于提高光學元件的使用壽命。該隔離器不依靠磁光、電光效應的高頻調制，具備較好的延展性，可被廣泛應用于芯片級激光器的設計[2]。

氮化硅無源光隔離器顯著優勢

光隔離器極大程度上防止光路中由于各種原因產生的后向傳輸光對光源以及光路系統產生不良影響。隨著集成光路日益集成化和小型化，很多研究工作也轉移到如何將光隔離器與片上COMS工藝集成問題上。近年來，研究者通過引入驅動裝置，以實現主動集成隔離器，然而這對外部驅動器的要求增加了系統復雜性，還引入了更高的功耗。此外，高功率射頻驅動器會產生大量電磁背景，導致集成敏感元器件受到干擾。因此為了提高隔離器的性能，完全無源和無磁才是隔離器最佳的選擇。

Vu?kovi?教授團隊以氮化硅諧振腔為設計單元，基于非線性Kerr效應實現了集成連續波隔離器。Kerr效應打破了微環的順時針和逆時針模式之間的簡并，允許非互易傳輸。該器件是完全無源的，除了激光器外，不需要任何輸入，唯一的能量消耗即振蕩器與環形隔離器之間極小的插入損耗。而且氮化硅薄膜器件具有CMOS工藝兼容性，可量化生產，有力地推動了下一代芯片級激光器的進步和發展。

氮化硅無源光隔離器工作原理

克爾效應是由于材料的三階非線性磁化率而引起的折射率變化，表現為對材料折射率的影響，可以改變光的傳輸狀態。如圖1（a）所示，光通過隔離器時對微環進行熱光調制，導致微環共振頻率變化，使透射峰發生偏移。在氮化硅微環中，不同傳輸方向的光源分別會受到自相位調制和交叉相位調制作用，導致不同方向激光的透射峰產生位置偏差，當正向傳輸光的透射率位于透射曲線的峰值時，逆向傳播光的透射率則極低，因此可以實現單向傳輸的設計思路。

該隔離器需要連續的泵浦功率（連續波泵浦或是在環自由光譜范圍內脈沖泵浦），但無需額外的驅動或調制，因此非常適合隔離激光器的輸出，如圖1（b）所示。激光器本身充當隔離的唯一驅動器，除較小的插入損耗外無其它任何功耗，不需要強磁場、有源光調制或高功率RF驅動器，并且設備操作不限于單個光子平臺或波長范圍。

圖1. 單個氮化硅微環諧振隔離器。（a） 集成非線性光學隔離器工作原理示意圖；（b） 隔離器與激光器的耦合示意圖；（c）氮化硅無源光隔離器實圖；（d）不同的輸入泵浦功率情況下，理論（虛線）和實驗（藍色點）反向傳輸透過率譜線。

氮化硅無源光隔離器集成與測試

氮化硅無源光隔離器的隔離度測試方案如圖2（a）所示，測試時采用同一光源，以相反的方向通過微環，然后掃描泵浦源并探測共振峰。如圖2所示，隨著泵浦功率不斷增加，無源隔離器的隔離度也逐漸提高。尤其當泵浦功率高達80mW時，反向透射率小于5%，充分驗證了氮化硅無源微環隔離器的有效性。

圖2. 隔離度的測量方案。（a）測量光路示意圖；（b） 反向傳輸透光率與泵浦功率關系；（c） 泵浦功率與單個微環諧振器隔離度關系。

理想情況下，通過增加波導與微環的耦合效率，使所有功率都被傳輸到微環中，微環中的所有功率都傳輸到輸出端口，但這會影響諧振的Q值，從而降低隔離度。因此需要平衡耦合系數和隔離度的關系，進一步優化器件，以得到整體最佳性能。實驗中通過設計由16個具有不同耦合強度和耦合不對稱性的空氣包層氮化硅隔離器組成的結構陣列，驗證了耦合度越低，隔離度越高，同時也引入更高的插入損耗。且對兩組無源隔離器進行了性能分析：1）具有1.8 dB插入損耗和12.9mW隔離閾值的器件，2）具有5.5 dB插入損耗和6.5mW隔離閾的器件（如圖2d）。當泵浦功率達到90mW時，峰值隔離分別可以達到16.6dB和23.4dB。

圖3.（a）微環隔離器示意圖及其關鍵參數；（b） 耦合系數與隔離度關系熱圖；（c）微環隔離度與插入損耗的相關性；（d）圖b中突出顯示單元隔離度研究。

對氮化硅微環進行級聯優化如圖4所示，最終獲得了泵浦功率90 mW時，級聯隔離器整體的隔離度能夠達到35 dB。

圖4. 級聯隔離器。（a）雙環級聯隔離器示意圖；（b）雙環級聯隔離器實體圖；（c）單環隔離度與輸入功率之間的關系；（d）雙環級聯隔離器正、反向光傳輸性能；（e）級聯隔離器隔離度與輸入功率之間的關系。