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中國學(xué)者首次在氮化硅光芯片上集成無磁光隔離器,助推未來量子互聯(lián)網(wǎng)


來源:訊石光通訊網(wǎng)

[導(dǎo)讀]  中國學(xué)者首次在氮化硅光芯片上集成無磁光隔離器。

中國粉體網(wǎng)訊  時光倒流會怎樣?想象電影倒放的樣子,一切行動都會反向沿著原來的軌跡從終點回到起點。如果這種現(xiàn)象成立,我們便稱之為“時間反演對稱性”。“時間反演對稱性”與另一個概念 “互易性”(reciprocity)總是相伴而生。簡單理解,某一物理過程與其逆過程是對等的,便可稱其具有“互易性”,若不對等,則稱為“非互易性”(nonreciprocity)。



生活中常見的大部分物理現(xiàn)象都具有 “時間反演對稱性”。例如,兩個人站在鏡子的兩側(cè),如果你可以看見對方的眼睛,那么對方同時也可以看見你的眼睛。在光學(xué)上,我們稱之為光路可逆原理:即光總是沿著同一路徑傳播,無論是從正向還是反向傳播。


但在某些場景,光的這種雙向互易傳播會帶來諸多問題。比如,激光器里發(fā)射出來的光若部分沿原路反射回到激光器的諧振腔里,便會影響激光穩(wěn)定性,功率過高的話甚至?xí)䲟p壞激光器里的元件。


這時我們就需要 “非互易器件” 來打破光的傳播可逆特性,通過阻斷光的反向傳播使其只沿著單一的方向傳導(dǎo)。因為能阻斷某一方向的光傳播,這種器件被命名為“光隔離器”(optical isolator)。而在集成光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,非互易性器件,尤其是光隔離器,是目前實現(xiàn)技術(shù)難度最高的功能器件。近期,來自美國普渡大學(xué)的田浩和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的劉駿秋通過結(jié)合超低損耗集成光學(xué)和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS),實現(xiàn)了片上集成光隔離器。 光隔離器難以 “集成” 而遇到瓶頸


傳統(tǒng)上,光隔離器是利用一種特殊的光學(xué)材料——磁光材料——來實現(xiàn)光的單向傳播。其基本原理是法拉第效應(yīng):在外加磁場下,光的偏振方向在通過磁光材料后會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。而這個偏轉(zhuǎn)的方向在光正向和反向傳播下方向相反。我們可以利用這一特性來使得只有一種偏轉(zhuǎn)方向的光通過,從而阻隔另一種偏轉(zhuǎn)方向的光。這種技術(shù)已經(jīng)商業(yè)化并廣泛應(yīng)用在現(xiàn)在的自由空間的光學(xué)系統(tǒng)里。


但運用這種技術(shù)制成的光隔離器存在一些弊端,比如體積較大。無論是磁光材料還是用來產(chǎn)生磁場的磁鐵均無法與當(dāng)前的半導(dǎo)體大規(guī)模集成工藝兼容,因此通過磁光材料制成的光隔離器無法有效集成在單個小芯片上。而若想要將實驗室里大型光學(xué)系統(tǒng)做成商業(yè)化產(chǎn)品實際投入到我們的生活中使用,器件的尺寸、重量、功耗和成本是必須要考慮的因素。由此而言,如果可以在芯片上實現(xiàn)不依賴磁場的光隔離器就顯得尤為關(guān)鍵。 隨著納米加工工藝的逐漸成熟,科學(xué)家們已經(jīng)可以將半導(dǎo)體激光器、光調(diào)制器、低損耗光波導(dǎo)以及光探測器集成在芯片上。而集成光隔離器卻成為阻礙將全部光學(xué)元件集成在同一芯片上的瓶頸。而這也逐漸成為近幾年的研究熱點。科學(xué)家們提出了多種不同的方案,但都各有優(yōu)缺點。 光學(xué)的互易性一般適用于不隨時間變化的線性光學(xué)系統(tǒng)。于是有學(xué)者提出利用非線性的光學(xué)現(xiàn)象。通過特殊的光學(xué)設(shè)計,人們可以根據(jù)光入射的方向控制光在諧振腔里的強(qiáng)度,從而產(chǎn)生不同的傳播路徑。但是這種方法極大的依賴于光入射的強(qiáng)度,當(dāng)光強(qiáng)高于或低于某個范圍時,這種非互易的特性就會消失。這就限制了這種器件能夠應(yīng)用的范圍,因為在實際應(yīng)用中我們往往沒法提前預(yù)知反射光的強(qiáng)度。 結(jié)合了微機(jī)電(MEMS)技術(shù),在光子芯片上集成光隔離器


2009 年,華裔電氣工程專家范汕洄(Shanhui Fan)教授和喻宗夫(Zongfu Yu)博士提出對光子的時空調(diào)制(space-time modulating),并給出了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撏谱C,這為打破光學(xué)互易性提供了堅實的理論基礎(chǔ),并開辟了新的方向。田浩與劉駿秋正是基于這個理論,在實驗上實現(xiàn)了光的單向傳輸,并且得出了跟理論預(yù)測相同的結(jié)果。 他們利用了光子和聲子彈性散射過程中的能量和動量守恒定律。在時間上的調(diào)制滿足了能量守恒的要求,而空間上的調(diào)制則為了滿足動量守恒。動量是帶有方向的矢量,通過設(shè)計可以使聲子的動量指向某一個特定的方向,那么光的散射就只會發(fā)生在沿著動量的方向,而在另一個方向散射就不會發(fā)生,這也是“相位匹配”條件。通過控制特定方向的光散射,我們就可以控制光只沿著一個方向傳播。


氮化硅(Si3N4)作為當(dāng)下最具潛力的硅基材料之一,其豐富的光學(xué)特性,尤其是超低光損耗和超寬光譜透明區(qū)間(從紫外延伸至中紅外)使其在薄膜光學(xué)、微納平面光學(xué)、非線性集成光學(xué)等諸多領(lǐng)域具有應(yīng)用場景。但目前,尚未有研究者將其應(yīng)用到“非互易器件”的研制中。結(jié)合“時空調(diào)制”的思路,田浩與劉駿秋所在團(tuán)隊首次實現(xiàn)了在氮化硅上制作光隔離器。利用氮化硅的低波導(dǎo)損耗性質(zhì),該團(tuán)隊實現(xiàn)了光隔離器信號耗損的大幅度降低——以 0.1dB 的水平遠(yuǎn)低于目前已商業(yè)化的光隔離器 1dB 水平,即光耗損由 20% 降低至 2.3%。



在氮化硅制成的微環(huán)諧振器(microring resonator)上,他們等間距地集成了三個氮化鋁(AlN)體聲波諧振器。氮化鋁(AlN)材料作為一種高效成熟的壓電材料,目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在無線通訊領(lǐng)域,基于氮化鋁的體聲波濾波器幾乎被應(yīng)用在每一個手機(jī)芯片上,以接收無線信號。壓電材料是一種可以因機(jī)械變形產(chǎn)生電場的材料,家家戶戶都可見到的煤氣灶便是運用了壓電效應(yīng):扭動開關(guān),壓力產(chǎn)生的電流可以幫助煤氣灶迅即燃起藍(lán)色火焰。田浩與劉駿秋便是利用氮化鋁來激發(fā)聲波。當(dāng)聲波經(jīng)過光學(xué)微環(huán)諧振腔的時候,聲波產(chǎn)生的壓力會改變光波導(dǎo)的折射率,同時也會改變波導(dǎo)的形狀。這兩個效應(yīng)加在一起就對光波導(dǎo)產(chǎn)生了調(diào)制作用,而調(diào)制的頻率就是聲波震動的頻率,一般是幾個吉赫茲(GHz)。



由于氮化硅缺乏電光效應(yīng),人們很難對氮化硅波導(dǎo)進(jìn)行快速有效的調(diào)制,而高效率的調(diào)制是整個光隔離器得以實現(xiàn)的關(guān)鍵。去年,該團(tuán)隊在利用激發(fā)聲波實現(xiàn)了對氮化硅光諧振腔的吉赫茲頻率的調(diào)制(該成果發(fā)表在 2020 年《自然-通訊》上),解決了這一問題;緊接著,他們將這個技術(shù)應(yīng)用在集成光頻率梳的高速聲光調(diào)制(該成果發(fā)表在 2020 年《自然》上)。與去年的工作不同的是,此次團(tuán)隊通過刻蝕底層的硅襯底,將聲波束縛在5微米厚的氧化硅薄膜上,從而極大提高了聲波的能量密度,從而將調(diào)制效率提高了 100 倍。這也有助于我們降低器件的功耗。


圖 | 實驗中的兩個方向光脈沖的傳播


“在研究的過程中,我們認(rèn)真調(diào)研和學(xué)習(xí)了之前很多光隔離器的實現(xiàn)方案,比如,基于法拉第效應(yīng)、光力系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、甚至利用原子系綜的多普勒效應(yīng)。其中許多杰出的成果都來自于中國的學(xué)者和老師。通過與他們的交流和討論,我們也加深了對課題的理解。相比于之前的工作,我們的工作的特點是集成度高、小型化、整體器件完全由電控制。” 劉駿秋解釋到。


總結(jié)起來,團(tuán)隊研發(fā)的光隔離器相較于其他實驗方法的優(yōu)點在于: 1)不需要外加磁場和磁光材料,極大的簡化加工工藝;2)結(jié)合了比較成熟的工業(yè)化的氮化鋁工藝,跟傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝兼容,可以進(jìn)行大規(guī)模的集成,降低成本;3)光波導(dǎo)建立在成熟的氮化硅波導(dǎo)上,擁有非常低的光學(xué)損耗;4)器件的工作只需要進(jìn)行射頻波的電學(xué)驅(qū)動,技術(shù)比較成熟而且功耗較低;5)由于整體技術(shù)結(jié)合了成熟的微機(jī)電系統(tǒng)和集成光學(xué),其工藝流程可以直接應(yīng)用在商業(yè)級別的半導(dǎo)體工藝產(chǎn)線。器件可與已有光芯片系統(tǒng)直接集成。


面向未來的應(yīng)用:量子光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)


光隔離器首先可以集成在半導(dǎo)體激光器的出口,來防止反射光對激光器的擾動。近年來隨著量子技術(shù)的興起,用光纖通訊來傳輸量子信息,從而來構(gòu)建大規(guī)模量子光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)獲得了廣泛的關(guān)注。該團(tuán)隊高效的聲光調(diào)制可以用來將微波頻率的量子信息加載在光學(xué)載波上,從而進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。


 為了盡可能保護(hù)量子信息不被干擾,這類器件往往工作在超低溫低噪的環(huán)境當(dāng)中,任何反射回來的光都有可能破壞這種環(huán)境。這時我們就需要光隔離器來隔離反射光,從而降低噪音。


“傳統(tǒng)的磁光隔離器首先尺寸比較大,不適合大量放在超低溫冷凍腔內(nèi)。而且外加的磁場會干擾量子比特的運行。我們所研制的集成光隔離器可以很好的避免這些問題,有望在不久的將來應(yīng)用在構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng),進(jìn)行量子信息的運算和傳輸。” 田浩在談到未來的技術(shù)應(yīng)用時說。



此項成果在 10 月 21 日以 Magnetic-FreeSilicon Nitride Integrated Optical Isolator 為題,發(fā)表在光學(xué)頂級期刊《自然-光子學(xué)》上,并同時在 MEMS 和光學(xué)領(lǐng)域獲得廣泛關(guān)注。美國普渡大學(xué)電子與計算機(jī)工程專業(yè)博士生田浩與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)劉駿秋博士為該篇文章的共同第一作者,洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院教授 TobiasJ. Kippenberg 與普渡大學(xué)電子與計算機(jī)工程系教授 Sunil A. Bhave為共同通訊作者。此前,該項工作還在 2021 年的 IEEE MEMS 國際會議上獲得最佳學(xué)生論文的獎項,同時入選 2021 年國際光學(xué)會議 CLEO postdeadline 的會議報告。


歷時三年,不斷試錯


田浩本科就讀于天津大學(xué)與南開大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的光電子技術(shù)專業(yè),這段求學(xué)經(jīng)歷為他打下堅實的光電子學(xué)理論和實驗基礎(chǔ)。在天津大學(xué)的資助下,田浩在本科期間獲得了在麻省理工學(xué)院交流深造的機(jī)會。受到麻省理工學(xué)院微光子學(xué)研究中心資深科學(xué)家 Jurgen Michel 教授和現(xiàn)天津大學(xué)教授張林博士的影響,田浩被光子與微納結(jié)構(gòu)的機(jī)械相互作用所深深吸引。博士期間,他師從普渡大學(xué) Sunil Bhave 教授,進(jìn)一步研究了光子與聲子相互作用的奧義,并有幸能跟光機(jī)械領(lǐng)域奠基人之一 Tobias Kippenberg 教授及其團(tuán)隊合作。


(中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川)

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