Nature Photonics: 新型芯片级光学隔离器

图1 芯片级光隔离器的特写

激光引领了技术变革，但一项关键技术难题却阻碍着激光进一步发挥作用。激光发出的光会反射回激光器中，使之不稳定甚至失效。在现实中，这一问题是通过磁性抑制背向反射解决的。尽管工程师们一直希望激光有一天能够变革计算机电路，但是却一直未能研制出芯片级光隔离器。

为解决这一问题，斯坦福大学的研究人员表示，他们已经发明了一种简易、高效的芯片级光隔离器，能够嵌入一层比纸张薄数百倍的半导体材料中。

“芯片级光隔离器一直是光子学领域有待解决的巨大难题之一。”斯坦福大学电子工程教授Jelena Vu?kovi?说，她同时也是此项12月1日发表在Nature Photonics上研究的主要作者。

“每个激光器都需要光隔离器来抑制背向反射进入激光器，造成激光器不稳定。” Vu?kovi?'实验室的博士候选人、本篇论文的共同第一作者Alexander White说。他补充道，这一设备能用于普通计算机中，甚至也能够用于量子计算等新一代技术中。

这种纳米级光隔离器具有应用前景，主要原因在于：首先，这种隔离器是被动作用，无需外部输入，也无需复杂的电子或磁性装置，而这正是此前一直阻碍芯片级激光器的原因所在——额外的装置导致设备体积过大、无法用于集成光子学应用中，同时可能导致电流干扰，以致损害芯片上其他组件。

另一个优点是，这种新型光隔离器是由常见、常用的半导体基材料制成，也能使用现有的半导体加工技术制造，未来可能较为简单的就能用作大规模生产。

新型光隔离器的形状类似圆环形，由氮化硅制成——一种基于最常用半导体硅的材料。强初级激光束进入圆环中，光子沿顺时针方向绕环旋转；与此同时，背向反射的光束会沿反时针方向旋转重新送回圆环。

“输入的激光能量循环了多次，在环内逐渐增强。不断增加的激光功率改变了较弱的光束，而较强的不受影响，”本文共同第一作者Geun Ho Ahn解释说。他是电子工程的博士生，主要研究较弱光束停止谐振的原因。“其中仅有反射光被有效地抵消了。”之后，被成功“隔离”的初级激光从隔离器中出射。

Vu?kovi? 及其团队已制造了一台光隔离器原型，并对其设计进行了验证；同时还将两个环形光隔离器级联在一起，获得了更好的性能。

“下一步包括研究用于不同频率的光隔离器，” Vu?kovi?实验室的博士后学者Kasper Van Gasse说。“以及在芯片规模上更紧密地集成组件，以探索隔离器的其他用途，并提高性能。”

文章见：Alexander D. White et al, Integrated passive nonlinear optical isolators, Nature Photonics (2022). DOI: 10.1038/s41566-022-01110-y。