光學(xué)隔離器雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了幾種片上的光學(xué)隔離，但是非互易傳輸是通過在外加磁場下使用法拉第效應(yīng)誘導(dǎo)的非互易偏振旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的。這種方法可以通過將磁光材料集成到波導(dǎo)中而在片上復(fù)制。

然而，由于需要定制材料制造和缺乏互補(bǔ)的金屬-氧化物-半導(dǎo)體（CMOS）兼容性，該方法的可擴(kuò)展性仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

此外， 磁光材料需要一個(gè)非常強(qiáng)的磁鐵，因?yàn)樗鼈冊(cè)诳梢姷浇?a href="http://www.www27dydycom.cn/tags/紅外/" target="_blank">紅外（NIR）波長范圍中的影響較弱，因此很難在集成平臺(tái)上操作 。

Alexander D. White等人演示了一種集成的無源隔離器，使用環(huán)諧振器中的本質(zhì)非互易克爾非線性來實(shí)現(xiàn)隔離。 以氮化硅為模型平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了1723 dB的單環(huán)隔離，1.85.5-dB插入損耗，35 dB的級(jí)聯(lián)環(huán)隔離 。利用這些器件，他們演示了混合集成和隔離與半導(dǎo)體激光芯片。

工作原理

克爾效應(yīng)是由于材料折射率的三階非線性而引起的折射率變化折射率與光強(qiáng)度成正比。 模式的簡并場增加了3?0χ(3)|E| ^2^ ——自相位調(diào)制（self-phase modulation (SPM)）。非簡并場增加了6?0χ(3)|E| ^2^ ——交叉相位調(diào)制（cross-phase modulation，XPM）。這種差異提供了一種內(nèi)在的非互易性 。如果強(qiáng)泵浦光束通過波導(dǎo)發(fā)送，而弱探測(cè)光通過另一個(gè)方向發(fā)送，由于克爾效應(yīng)是泵浦的兩倍，弱探測(cè)光將產(chǎn)生額外的相移。

圖1a集成式非線性光學(xué)隔離器的工作原理示意圖。右圖顯示了傳輸(T)與頻率(ω）

我們可以應(yīng)用同樣的原理來構(gòu)造一個(gè)隔離器?？紤]到圖1a中所示的設(shè)置。一個(gè)強(qiáng)泵浦（紅色）通過一個(gè)順時(shí)針和逆時(shí)針退化的環(huán)形諧振器發(fā)送共振。這個(gè)泵浦光通過加熱環(huán)，導(dǎo)致折射率的熱光增加和相應(yīng)的共振頻率降低。

此外，環(huán)中的高功率導(dǎo)致順時(shí)針模式SPM和逆時(shí)針模式XPM。這使逆時(shí)針模式的共振成為順時(shí)針泵浦模式的兩倍。 現(xiàn)在的分裂共振（split resonances）允許在泵浦方向上進(jìn)行接近統(tǒng)一的傳輸，但在反向方向上大大減少了相同頻率的傳輸（藍(lán)色） 。這種減少可以用腔的洛倫茲線形表示。我們可以通過結(jié)合傳輸減少和SPM共振位移來計(jì)算預(yù)期的隔離度：

其中位移Δω是由

式中，Q為環(huán)的負(fù)載質(zhì)量因子，n2為非線性折射率，n為線性折射率，Vmode為環(huán)的環(huán)的模式體積（mode volume），η為泵浦與環(huán)的耦合效率。我們可以通過考慮隔離3 dB所需的輸入功率來描述隔離所需的功率。我們將這個(gè)功率級(jí)稱為隔離閾值，即：

這種隔離僅僅是通過環(huán)的固有的非互易性來實(shí)現(xiàn)的，因此操作不需要額外的功率。重要的是，該操作不受動(dòng)態(tài)互易性的影響。當(dāng)反向傳播信號(hào)與泵的頻率相同時(shí)，不適用動(dòng)態(tài)互易，當(dāng)信號(hào)與泵的頻率不同時(shí)，存在互易但接近于零的傳輸。

需要注意的是，這種隔離比不僅適用于向后傳播信號(hào)的功率比泵要小，但即使是與泵浦光相稱和更強(qiáng)的反向信號(hào)。當(dāng)環(huán)內(nèi)已經(jīng)有泵浦功率循環(huán)時(shí)，反向波不會(huì)與腔體共振。因此，否定（negate）模態(tài)分裂所需的輸入功率實(shí)際上比泵的功率高出許多倍。

雖然隔離的帶寬受到共振分裂的限制，但可以添加一個(gè)額外的線性濾波器，無限期地?cái)U(kuò)展隔離帶寬。如果沒有這個(gè)額外的濾波器，隔離的3-dB帶寬可以由下式表達(dá)：

腔線寬大約是隨著隔離度的增加而增大。

由于這種類型的隔離器需要連續(xù)泵功率（使用連續(xù)波泵或在環(huán)自由光譜范圍內(nèi)脈沖的泵），但沒有額外的驅(qū)動(dòng)或調(diào)制，它是直接隔離激光輸出的理想選擇 。激光器本身作為隔離的唯一驅(qū)動(dòng)因素，該設(shè)備不產(chǎn)生功耗，只失去功率，因?yàn)橥ㄟ^環(huán)的小插入損耗。不需要強(qiáng)磁場、有源光調(diào)制或大功率射頻驅(qū)動(dòng)，器件的操作并不局限于單個(gè)光子平臺(tái)或波長范圍。

補(bǔ)充：光學(xué)克爾效應(yīng)/ 光致折射率變化效應(yīng)

光致折射率變化效應(yīng)：光電場與介質(zhì)作用可引起介質(zhì)極化率的變化，從而引起介質(zhì)折射率的變化，進(jìn)而對(duì)光在介質(zhì)中的傳輸產(chǎn)生影響。光致折射率變化的效應(yīng)有多種，對(duì)于光學(xué)克爾效應(yīng)，它表述介質(zhì)某處折射率變化的大小與該處光強(qiáng)的大小成正比。光克爾效應(yīng)因其產(chǎn)生非線性極化率的方式不同而被分為兩種：

（1） 自作用光克爾效應(yīng)

利用頻率為ω的信號(hào)光自身的光強(qiáng)引起介質(zhì)折射率變化，同時(shí)用同一束信號(hào)光直接探測(cè)在該頻率ω下的非線性極化率實(shí)部或非線性折射率的大小。

（2） 互作用光克爾效應(yīng)

這種光克爾效應(yīng)，需要兩種光：泵浦光—引起折射率變化的強(qiáng)光；信號(hào)光一探測(cè)介質(zhì)折射率變化大小的弱光。也就是用頻率不同（ω）或偏振方向不同的強(qiáng)泵浦光引起介質(zhì)折射率變化，同時(shí)用頻率為ω’的弱信號(hào)光探測(cè)介質(zhì)非線性極化率實(shí)部或非線性折射率的大小。