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(diǎn)是：正向插入損耗低，反向隔離度高，回波損耗高。目前已經(jīng)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(diào)制器的高頻調(diào)制。

近期，美國(guó)斯坦福大學(xué) Vu?kovi?教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合加州大學(xué)研究人員[1]，基于氮化硅材料設(shè)計(jì)了一種無源微納光隔離器，實(shí)現(xiàn)了單微環(huán)隔離度17-23dB，插入損耗1.8-5.5dB；級(jí)聯(lián)微環(huán)隔離度達(dá)到35dB，插入損耗 5dB。同時(shí)還將半導(dǎo)體激光二極管芯片對(duì)接耦合到氮化硅隔離器，在片上系統(tǒng)中驗(yàn)證了光學(xué)隔離。這種光隔離器既可以有效穩(wěn)定激光和降低噪聲，同時(shí)保障了激光輸出的安全性，有助于提高光學(xué)元件的使用壽命。該隔離器不依靠磁光、電光效應(yīng)的高頻調(diào)制，具備較好的延展性，可被廣泛應(yīng)用于芯片級(jí)激光器的設(shè)計(jì)[2]。

氮化硅無源光隔離器顯著優(yōu)勢(shì)

光隔離器極大程度上防止光路中由于各種原因產(chǎn)生的后向傳輸光對(duì)光源以及光路系統(tǒng)產(chǎn)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(zhuǎn)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(qū)動(dòng)裝置，以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)集成隔離器，然而這對(duì)外部驅(qū)動(dòng)器的要求增加了系統(tǒng)復(fù)雜性，還引入了更高的功耗。此外，高功率射頻驅(qū)動(dòng)器會(huì)產(chǎn)生大量電磁背景，導(dǎo)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(tuán)隊(duì)以氮化硅諧振腔為設(shè)計(jì)單元，基于非線性Kerr效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了集成連續(xù)波隔離器。Kerr效應(yīng)打破了微環(huán)的順時(shí)針和逆時(shí)針模式之間的簡(jiǎn)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(huán)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(chǎn)，有力地推動(dòng)了下一代芯片級(jí)激光器的進(jìn)步和發(fā)展。

氮化硅無源光隔離器工作原理

克爾效應(yīng)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(xiàn)為對(duì)材料折射率的影響，可以改變光的傳輸狀態(tài)。如圖1（a）所示，光通過隔離器時(shí)對(duì)微環(huán)進(jìn)行熱光調(diào)制，導(dǎo)致微環(huán)共振頻率變化，使透射峰發(fā)生偏移。在氮化硅微環(huán)中，不同傳輸方向的光源分別會(huì)受到自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制作用，導(dǎo)致不同方向激光的透射峰產(chǎn)生位置偏差，當(dāng)正向傳輸光的透射率位于透射曲線的峰值時(shí)，逆向傳播光的透射率則極低，因此可以實(shí)現(xiàn)單向傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)思路。

該隔離器需要連續(xù)的泵浦功率（連續(xù)波泵浦或是在環(huán)自由光譜范圍內(nèi)脈沖泵浦），但無需額外的驅(qū)動(dòng)或調(diào)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(dāng)隔離的唯一驅(qū)動(dòng)器，除較小的插入損耗外無其它任何功耗，不需要強(qiáng)磁場(chǎng)、有源光調(diào)制或高功率RF驅(qū)動(dòng)器，并且設(shè)備操作不限于單個(gè)光子平臺(tái)或波長(zhǎng)范圍。

圖1. 單個(gè)氮化硅微環(huán)諧振隔離器。（a） 集成非線性光學(xué)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(shí)圖；（d）不同的輸入泵浦功率情況下，理論（虛線）和實(shí)驗(yàn)（藍(lán)色點(diǎn)）反向傳輸透過率譜線。

氮化硅無源光隔離器集成與測(cè)試

氮化硅無源光隔離器的隔離度測(cè)試方案如圖2（a）所示，測(cè)試時(shí)采用同一光源，以相反的方向通過微環(huán)，然后掃描泵浦源并探測(cè)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(dāng)泵浦功率高達(dá)80mW時(shí)，反向透射率小于5%，充分驗(yàn)證了氮化硅無源微環(huán)隔離器的有效性。

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

理想情況下，通過增加波導(dǎo)與微環(huán)的耦合效率，使所有功率都被傳輸?shù)轿h(huán)中，微環(huán)中的所有功率都傳輸?shù)捷敵?a target="_blank">端口，但這會(huì)影響諧振的Q值，從而降低隔離度。因此需要平衡耦合系數(shù)和隔離度的關(guān)系，進(jìn)一步優(yōu)化器件，以得到整體最佳性能。實(shí)驗(yàn)中通過設(shè)計(jì)由16個(gè)具有不同耦合強(qiáng)度和耦合不對(duì)稱性的空氣包層氮化硅隔離器組成的結(jié)構(gòu)陣列，驗(yàn)證了耦合度越低，隔離度越高，同時(shí)也引入更高的插入損耗。且對(duì)兩組無源隔離器進(jìn)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(dāng)泵浦功率達(dá)到90mW時(shí)，峰值隔離分別可以達(dá)到16.6dB和23.4dB。

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

對(duì)氮化硅微環(huán)進(jìn)行級(jí)聯(lián)優(yōu)化如圖4所示，最終獲得了泵浦功率90 mW時(shí)，級(jí)聯(lián)隔離器整體的隔離度能夠達(dá)到35 dB。

圖4. 級(jí)聯(lián)隔離器。（a）雙環(huán)級(jí)聯(lián)隔離器示意圖；（b）雙環(huán)級(jí)聯(lián)隔離器實(shí)體圖；（c）單環(huán)隔離度與輸入功率之間的關(guān)系；（d）雙環(huán)級(jí)聯(lián)隔離器正、反向光傳輸性能；（e）級(jí)聯(lián)隔離器隔離度與輸入功率之間的關(guān)系。