集成光隔离器用于宽带多激光工作

《Nature Photonics》：Integrated optical isolators for broadband multi-laser operation

　　

光子集成电路常配备可见光或近红外激光，此类激光易受反向反射失稳影响，须由隔离器保护；隔离器是非互易光学元件，强制光单向传播。尽管近期有进展，高性能隔离器仍是体积庞大的片外组件，而片上实现面临制造困难、高光吸收或窄光带宽等问题。研究人员提出并实验演示了一种由代工兼容组件构成的、无磁且本征宽带的行波（TW）隔离器。利用射频（RF）电光调制在四条平行波导间产生合成运动，实现动态旋转相消干涉，持续抵消后向传播光，同时不影响前向光。在789.7 nm固定波长处获得约30 dB峰值隔离，借助热光调节在30 nm波长跨度（770–800 nm）内维持>24 dB隔离，且在无调节时10 nm内双激光同时隔离>20 dB。该演示的770–800 nm跨度覆盖关键碱金属原子跃迁，可支持片上激光隔离用于原子光谱、激光冷却与锁频。该隔离器方法适用于可见光至电信波段，为全集成原子钟、量子传感器、先进电信与可调激光系统提供实用方案。

研究背景方面，光子集成电路（PIC）将复杂光学功能集成于单芯片，支撑精密光谱、量子传感与高带宽通信；近期低噪声可调激光源亦被集成于PIC，但微小反向反射即可引发频率漂移与模式跳变，传统自由空间磁光法拉第隔离器含磁体与磁光材料，难以晶圆级集成，既有片上方案受限于制造难度、吸收损耗或窄带宽，且无磁、代工友好、宽带低损的前向传输隔离器长期缺失。研究人员在氮化硅（Si₃N₄，SiN）/薄膜铌酸锂（TFLN）混合平台上，提出并实验演示一种无磁行波（TW）宽带光隔离器，采用四通道马赫–曾德尔调制器（MZM）结构，通过射频（RF）电光相位调制建立动态旋转相消干涉（DRDI），在770–800 nm跨度内覆盖^85,87Rb与³⁹K等碱金属跃迁，峰值隔离约30 dB，热光调节下30 nm带宽内>24 dB，双激光10 nm内无调节>20 dB，前向光无额外损耗且无明显边带，成果发表于《Nature Photonics》。

关键技术方法上，研究人员采用100 mm SiN晶圆紫外步进光刻与反应离子刻蚀定义350 nm波导，电子束蒸发制备Cr微热光移相器与900 nm金共面射频波导（CPW），将150 nm X切TFLN经原子层沉积Al₂O₃后室温倒装键合于后端线兼容工序；利用级联定向耦合器将光分至四平行通道，两推挽对由G–S₁–G–S₂–G共面波导驱动，两对RF信号时延T₀/4；以任意波形发生器产生6.5 GHz基频多音RF，经梯度下降优化奇次谐波幅相并预失真补偿RF链路，结合Cr热光加热器（H1–H6）平衡通道光功率与静态相位，完成DRDI波形加载与隔离表征。

研究结果部分，主文“Results”下首先给出器件实现：在~350 nm SiN PIC上构建四通道MZM，TFLN键合区电光调制，CPW埋于TFLN下，H1–H3调功率平衡、H4–H6调相位，实测单晶圆九颗22 mm×20 mm芯片共171隔离器；前向同相最大、后向在合适RF波形下相消，770–800 nm扫描得≥24 dB隔离，峰值30.6 dB于789.7 nm。接着阐述DRDI原理：单TW相位调制中前向光与反向RF相遇净相位为零，后向光同传累积相位，四通道两推挽对加T₀/4时延三角波调制，任一时刻两对通道维持π相差并逐四分之一周期旋转抵消，后向载波与所有谐波连续相消，前向零均值时域波形无净移相；由三角波推广至奇次谐波截断优化，N=3理论隔离38 dB，实验用6.5 GHz基频+三次谐波（19.5 GHz）预失真波形，CPW单推挽对RF功率32 mW，前向附加损耗0.023 dB（定偏）或0.009 dB（热调），光谱验证前向无侧带。随后宽带表征显示，固定热设隔离随波长起伏约21 dB，逐点热调后30 nm内>24 dB；双激光实验中激光1定789.7 nm、激光2扫785–795 nm，10 nm内双路后向均压抑>20 dB，双激光均值29.4 dB，较单激光降约1.1 dB，证实多波长同时隔离与低串扰。

讨论部分指出，DRDI相较既往无磁方案首次实现无前向损耗与无谐振带宽折中的完全宽带隔离，四模等延时时序调制可视为二维合成运动，被动耦合器作横向傅里叶变换，后向光获横向波矢偏移而前向透明，相消零点持续存在且可扩展为环形器；770–800 nm下30 dB峰值、30 nm内>24 dB、10 nm双音>20 dB可直接赋能原子跃迁激光引擎，性能随RF波形、耦合器带宽与工艺均匀性提升而改善，热调需求可减除；SiN/LiNbO₃平台可见光至电信波段通用，仅需2π调制深度与数伏RF，可集成可调激光或频率梳，解决PIC长期缺宽带片上隔离器瓶颈。结论翻译：不同于以往无磁集成隔离器，DRDI方案提供无前向损耗或调制的完全宽带隔离，仅受电光PIC物理与技术约束；其四模时空调制等价于二维合成运动，对前向反传波透明、对后向波施加横向波矢与频移并在输出端持续相消零点，该零点波矢为零，偏移光亦可自另端口导出以扩展为环形器；~30 dB峰值及30 nm内>24 dB、10 nm多音>20 dB隔离即刻支撑770–800 nm原子跃迁激光PIC，无本征带宽折中，后续随波形与耦合器优化及工艺提升进一步改善，热光调谐可弱化或消除，多激光可共享隔离器与RF驱动，隔离器可开关或前向叠加调制，为数据网、量子技术与精密光谱提供全集成单向光流基础。