薄膜铌酸锂光学隔离器

2023-08-01 17:40

集成光子学正朝着在单个芯片上实现更多功能的方向迈进，包括但不限于信息处理、计算、光学传感和测距等应用。这一趋势极大地促进了集成激光光源的发展。而片上集成光源正是光子芯片成为可以独立运行的系统所必需的。为了使片上集成的激光光源免受反射光的损害，片上隔离器件变得不可或缺。

实现光学隔离器件主要有三种方法：磁偏置、非线性光学效应和时空调制。磁偏置本身具有宽波段的优点，但是它需要有额外损耗的磁光材料。非线性光学隔离器件可以集成在特定的具有非线性效应的材料中，但它的实现一般需要较高的功率，从而限制了其应用的广泛性。然而，时空调制没有上述问题，而且可以非常方便地实现集成化，例如集成在具有优异电光特性的薄膜铌酸锂平台上。

铌酸锂，因其较宽的光谱透明窗口、较高的功率阈值以及强大的非线性和电光特性，几十年来一直是非线性光学和光纤通信的重要材料。最近出现的绝缘体上薄膜铌酸锂（LNOI）作为绝缘体上硅光子学的类似平台，已经可以实现晶圆级制造、加工紧凑、高密度的铌酸锂波导电光器件［1］。并且近几年已经实现了基于LNOI平台的，可以利用CMOS电路驱动的高效电光频率梳和电光调制器。然而，LNOI光子学的长远目标不局限于此，在不久的将来可应用于全集成的激光雷达、光学神经网络或射频信号处理设备等等。实现这些目标的关键条件是新兴的片上相干光源的异质集成技术，而要使其稳定运行，必须将其与系统其他部分的反射光隔离开来。为了解决这个问题，由皇家墨尔本理工大学（RMIT）杰出教授Arnan Mitchell领导的研究组在LNOI波导平台中实现了集成的光学隔离器。

在该项工作中，光学隔离是由两个级联的行波电极调制器进行时空调制来实现。施加在调制器的微波信号以及调制延迟确保了在正向传播光的调制被抑制，从而使其光谱特征保持不变。然而，反向传

播的光功率将被分散到边带上，从而极大地降低了反向光载波在其原始频率上的强度。与此同时，较强的反向边带光通过微环谐振器的滤波器作用后，其功率也大大降低，从而实现了超过27 dB的光隔离。

如图1（a）的显微照片所示，他们的光学隔离器件所使用的波导是通过刻蚀沉积在LNOI晶片上的氮化硅层来实现的，这在很大程度上避免了较难的铌酸锂刻蚀过程。光隔离器设计是基于串联的调制器［2］，其中两个相同的行波相位调制器串联，并由环形延迟线分隔。调制器被相同的谐波信号频率驱动，但射频调制信号具有相位偏移。所以，对于正向传播的光，两个调制器的调制效果会相互抵消，1550 nm的载波光可以不受影响地离开器件。另一方面，对于反向光的传播，两个调制器对光的调制作用相互加强，从而使得载波光的能量分散到多个边带中。在反向光通过集成的跑道型微环谐振器时，较强的边带光被抑制，从而实现了光学的隔离功能。

图1（a）光学隔离器的光学显微镜图像；（b）电光调制器的横截面示意图；（c）行波电极与波导显微镜照片图；（d）LNOI波导的电子显微镜照片

通过分别在反向和正向注入光载波来测试该器件，证明了该器件的光学隔离功能。

图2（a）的蓝色曲线为跑道型微环谐振器的下载端传输光谱，其设计谐振频率与载波光一致，从而允许载波光通过。红色曲线展示了反向光经过调制之后而未通过环形谐振腔的情况，其载波频率上的能量已被转移至边带。图2（b）展示了反向光经过调制之后并且通过跑道型微环谐振器的情况，其光功率被转移至边带并且被谐振器过滤。图2（c）表示正向传播光的大部分光功率仍然被保留在载波中，并且只有很小的光功率被转移到边带。通过测量正向和反向操作之间的光功率差，得到27 dB的隔离强度。此光学隔离强度在目前所有已知的集成光学平台上是最高的。文中所实现的光学隔离器可以适用于未来III－V激光二极管或者掺铒增益器件与薄膜铌酸锂波导平台中的混合集成。

图2（a）蓝色曲线显示了跑道型微环谐振器的传输光谱。红色曲线显示了反向传播的光在微环谐振器直通端的测量光谱；当使用跑道型微环谐振器抑制边带，在（b）反向和（c）正向操作时，所测量的隔离器光谱。

这项工作得到了澳大利亚研究委员会（ARC）项目（DP190102773、DP190101576、DP220100488）的支持，以“Spatio－temporal isolator in lithium niobate on insulator”为题作为封面文章发表在我所主办期刊Opto－Electronic Science（光电科学）2023年第3期。

参考文献

［1］ A．Boes， L． Chang， C． Langrock， M． Yu， M． Zhang， Q． Lin， M． Lon？ar， M． Fejer， J． Bowers， A． Mitchell，＂Lithium niobate photonics： Unlocking the electromagnetic spectrum，＂ Science， vol． 379， no． 6627， eabj4396， 2023．

［2］ C． R． Doerr， N． Dupuis， and L． Zhang，＂Optical isolator using two tandem phase modulators，＂ Optics letters， vol． 36， no． 21， pp． 4293－4295， 2011．

研究团队简介

InPAC 研讨会

澳大利亚皇家墨尔本理工大学集成光子与应用中心（InPAC）于2020年成立，在杰出教授Arnan Mitchell的领导下，现已发展为拥有9名全职研究人员和20多名博士生的研究团队。他们的目标是创造具有社会影响力的集成光子技术。他们已经开发了包括硅基光子学、氮化硅和薄膜铌酸锂在内的集成光学平台。该中心汇集了致力于开发和完善光子芯片模拟和设计、制造和封装测试的强大团队。同时他们以实际应用为导向，建立了聚焦数据通信、生物医学检测以及国防安全和精确定位的应用型团队。

该中心的核心是提高内部成员的集成光学专业知识素养和器件的加工能力，为光学产业培养合适的人才，建立良好的集成光学芯片的设计、加工、封装、测试以及应用的生态环境。同时，该中心可以使用全澳大利亚最先进的微纳米加工中心。其中包括RMIT的 2500平方米的微纳研究中心和3000平方米的墨尔本纳米加工中心（MCN）。InPAC团队已经开发了普适的光学芯片的设计模块，并且具有强大的快速加工芯片的能力，从而为终端用户、研究人员和企业伙伴提供了快速的光学解决方案以满足他们的实际需求。InPAC已经在全球范围内，与高校、研究所的研究人员和中小企业的研发团队建立了广泛且深入的合作关系，为光学改变世界的目标奠定了坚实的基础。