斯坦福大学在硅光子非互易器件研究方面取得进展

据麦姆斯咨询介绍，允许光沿相反方向不对称传播的非互易器件，是与硅光子平台兼容的光通信、非线性信号处理和全光学电路的关键元件。从传统意义上来讲，自由空间光学器件的非互易性和隔离性是通过偏置磁光材料实现的，但该技术无法与CMOS工艺兼容。斯坦福大学研究人员结合了最新的制造技术和逆向设计，证明了硅基集成器件中无偏置、低损耗的非互易性传输。

左：单环器件（上图）和级联器件（下图）的SEM图像。右上方：几个单环器件（蓝点）和级联器件（红点）的传输与非互易性功率范围的性能曲线。单环器件表现必定会落在阴影区域中。

该方法基于另一种非互易性方式，即将光学非线性与几何不对称性相结合。在不对称双端口谐振器中，输入功率一定时，腔内强度取决于激励方向。强烈的χ非线性（例如硅的克尔效应）会引起谐振器频率的偏移，其变化程度取决于存储强度，进而取决于激励端口。由于谐振器频率控制着端口到端口的传输，因此这种机理会导致在某些功率范围内产生较大的非互易性，尤其是在设计高度不对称Fano特征时。尽管受限于特定形式的激发，但这种方法引人关注，因为它不需要外部偏置场，并且可以在标准的集成光学波导中实现。

该器件由一个单环谐振器组成，该谐振器通过逆向设计的耦合器侧向耦合到波导上。背景反射率和几何不对称性可以通过耦合器的几何形状及其在波导中的位置任意改变。研究人员展示了在4.5 dBm的功率范围内传输差值大于20 dBm，低于1.1 dB的插入损耗也创下历史记录。

重要的是，发生非互易性的正向传输和功率范围不是独立的参数，不能同时达到最大值。通过表征不同器件，研究人员对此极限值进行了首次实验验证。通过逆向设计的反射器对背景反射率进行精确控制，能够根据需要优化两项指标。

为了突破必须同时权衡传输和功率范围的限制，研究人员通过之前的实验证明，在距第一个硅环适当距离处添加第二个硅环，能够打破这一局限。该级联器件的非互易性功率范围为6.3 dB，前向发射高达98%，大大超过了单个谐振器的表现。

如原理证明中所示，这些无源、无偏置的非互易性器件对保护脉冲源特别有用，并且非常适用于飞行时间（ToF）激光雷达系统。从技术角度来看，亚分贝的插入损耗、简单的设计和自偏置操作，使这类器件极具吸引力，未来有望在集成光子芯片的非互易性信号路由中得到广泛的应用。

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