华中科技大学张新亮、施雷课题组：基于集成光力微腔的光学非互易传输

导读

近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心张新亮、施雷课题组在集成光梯度力器件的应用方面取得进展。基于光梯度力引起的力学Kerr效应实现了片上、无源、低功耗、低插入损耗的光学非互易传输。在工作功率为251 [图片] 时实现了23 dB的非互易传输比，插入损耗为2.3 dB。该器件结构紧凑，CMOS工艺兼容，且无需任何外界泵浦（如磁场、射频调制或光泵浦），可用于片上光学二极管、非互易的信号路由等。

研究背景

2005年时，Povinelli等人理论研究了两个平行波导间的光梯度力效应，引起了研究人员对集成光梯度力器件的广泛关注。目前集成光梯度力器件已有多种应用，如光开关、相移器、光学传感等。光波导在光梯度力的作用下会发生形变，从而导致其模式有效折射率的变化。由于这种效应类似于常规光学Kerr效应，所以被称为力学Kerr效应。一般来说，力学Kerr效应的非线性系数比材料本身的光学Kerr非线性系数可以高出几个量级，所以力学Kerr效应在实现低功耗的集成器件方面具有显著优势。此外，一般对于集成器件而言，一旦制备就很难改变器件结构，而光梯度力可使波导发生形变，从而使器件变得更加灵活可控，提供了一种新的调控方式。课题组前期在集成光力器件方面也完成了系列工作：(1) 提出了基于非对称光力耦合器的宽带光学非互易传输 [Scientific Reports 5, 8657, 2015]；(2) 提出了基于耦合石墨烯纳米带结构的紧凑光力相移器 [Scientific Reports 6, 28568, 2016]；(3) 研究了PT对称耦合波导结构中的光梯度力效应 [Optics Express 26 (8), 10220-10229, 2018]；(4)提出了一种亚波长光力波导阵列，仅需毫瓦级输入功率即可在微米级长度的波导阵列中实现光束的自聚焦、自散焦、反射等，表明光力波导阵列是实现离散光学效应的理想平台 [Optics Letters 45(18), 4976-4979, 2020]。

       本工作中，华中科技大学的研究人员利用微腔增强的力学Kerr效应，实验上实现了光学非互易传输。如图1所示，研究人员利用EBL及ICP技术将器件制备在顶层硅为220 nm的SOI基片上。该器件由两部分组成：一半波导悬空的光力微环(OMMR)腔，用于产生力学Kerr效应；定向耦合器(DC)，作为非对称元件。当信号光通过器件时，悬空微环在光梯度力的作用下会向下偏折，从而使模式有效折射率增大，谐振波长发生红移。当信号光从Port 1输入时，进入光力微环前会被定向耦合器所衰减，因此这种情况下光力微环中的光功率及谐振波长的红移都会比信号光从Port 2输入时要小。由于光力微环中非线性效应的强弱取决于信号光的传输方向，非互易光传输得以实现。

图1 所制备器件的SEM图

创新研究

研究人员通过控制输入功率不变，得到了器件在不同波长下的非互易传输特性。图2(a- c)对应输入功率分别为63, 158, 251  [图片] 时的正反向传输谱，(d-f)为相应的非互易传输比。可以看出，随着输入功率的增加，器件的非互易传输带宽与非互易传输比逐渐增大。当输入功率为251 [图片] 时，在波长为1549.96 nm处实现了23 dB的非互易传输比，此时的10-dB非互易传输带宽达30 pm，插入损耗为2.3 dB。

图2 (a- c)输入功率为63, 158, 251  [图片] 时的正反向传输谱；(d-f)相应的非互易传输比。点和线对应实验和理论结果。

其后，研究人员控制输入波长不变，得到了器件在不同功率下的非互易传输特性。图3(a-c)对应输入光失谐量分别为0.04, 0.08, 0.12 nm时的正反向传输谱，(d-f)为相应的非互易传输比。当输入光失谐量为0.12 nm时，在输入功率为-6 dBm处实现了23 dB的非互易传输比，这与前述的实验结果是完全一致的。在该失谐量下，器件的10-dB非互易功率范围为2 dB。

图3 (a- c)输入波长失谐量为0.04, 0.08, 0.12 nm时的正反向传输谱；(d-f)相应的非互易传输比。点和线对应实验和理论结果。

在本工作中，研究人员深入分析了该器件中存在的力学Kerr效应与热效应，并证明了器件中的非互易传输是由力学Kerr效应导致的，热效应完全可以忽略。

图4 器件中力学Kerr效应和热效应的比较

总 结

该研究成果以"Experimental realization of on-chip non-reciprocal transmission by using the mechanical Kerr effect"为题发表在ACS Photonics上，并被选为当期的封面论文，华中科技大学武汉光电国家研究中心博士生任麟昊、徐新标为共同第一作者，施雷为通讯作者。相关工作得到了国家自然科学基金（重大研究计划培育项目、面上项目）、中央高校基本科研业务费（学科交叉专项、人才培育专项）、信息光子学与光通信国家重点实验室开放课题等项目的资助。