硅光子中的电驱动声光和宽带非互易性

固体系统中的光声相互作用显示出很强的潜力，作为从量子信息控制到微波和光信号处理的各种应用的基础。非线性光机械耦合已被用于微波滤波和合成、光学非互易性和基于芯片的放大器和激光器。同时，线性声光相互作用在用于光学调制和光声门控的压电材料系统中得到了广泛的研究，并作为微波-光转换和非互易路由的潜在机制引起了人们的广泛关注。

       特别是，分布式声光调制已经成为集成光子电路中实现低损耗、无磁隔离器和循环器的一种很有前途的手段。这种基于调制的方法对于芯片规模的实现特别有吸引力，因为它们避免了与小型化磁光隔离器相关的相当大的制造挑战和过度的光吸收。最近的器件演示产生了非互易声光调制和宽带操作，但依靠悬浮光机械波导和窄带光学谐振器或光泵浦来实现非互易效应，对系统的可扩展性提出了潜在的挑战。此外，必须提高调制强度，才能将这些新兴技术转化为稳健的非互易组件。尽管如此，这些进步代表了巨大的潜力：高性能，可重构的集成隔离器和循环器是可行的，如果强大的声光相互作用可以在芯片上实现。

       然而，声光器件在集成光子学的主要材料硅中仍未实现。尽管有一系列令人印象深刻的硅光子器件技术，包括小型化电光调制器、探测器、信号处理器和振荡器，硅在绝缘体上缺乏压电耦合和声波的本征反导，阻碍了硅基声光学的进展。由硅的特别强的弹性光学效应，相关的非线性耦合已经通过片上受激布里渊散射实现。到目前为止，这些器件在非标准悬浮或缝隙波导结构中使用了相对低效的声波非线性光传导。试图通过电容耦合或光声效应在硅中实现直接弹光调制已经显示出强大的控制程度的潜力。然而，目前，这些系统中适度的（<10−3）声光散射效率限制了它们的实际应用。

       近日，来自美国加州理工学院的Eric A. Kittlaus等人他们演示了电驱动的声光调制在硅光子波导，并利用这种能力创建宽带，集成的非互易光学调制器。直接机电传导是利用互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容氮化铝在绝缘硅(AlN-on-SOI)材料平台上实现的。在低损耗集成光波导中发射的声表面波(SAW)通过行波弹光耦合产生线性声光调制。通过对器件几何形状的光刻控制，在1-5GHz的频率范围内实现了光相位调制和单边带幅度调制。这些调制器不使用悬浮结构或光泵浦，可与现有的电光调制器技术相媲美。他们还展示了如何将这些相互作用扩展到更长的相互作用长度，这是基于光学调制创建非互易器件的必要条件。利用蛇形波导结构，他们在100G Hz(0.8nm)的光带宽上显示了增强的调制效率（>10%）和电驱动的非互易调制和光模转换，这代表了朝着硅中实际的光学隔离器和循环器迈出的重要一步。强大的声光调制器(AOMs)在芯片上的实现可以实现一系列应用，包括基于芯片的外差检测、频率调制、波形合成和梳状波生成以及开关。更普遍地说，这种设计方法打开了一扇门，各种光电机械设备，以及灵活的AOMs和非互易操作，可以直接集成在硅光子电路。相关工作发表在《Nature photonics》上。（郑江坡）

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41566-020-00711-9