高可调谐电光隔离器在光子芯片上实现光的单向传输

集成光子器件——即使用光子而非电子的微型电路——对于可扩展光子技术和高带宽通信正变得日益重要。它们在管理数据中心内部低功耗、基于光的传输数据方面特别有价值，而这正是人工智能（AI）、云计算和高性能信号处理所必需的。

该领域面临的一项重大挑战，是开发出能够迫使光在光子电路中仅向单一方向传播的方法，因为这可以提高对制造缺陷的鲁棒性、保护激光器光源，并赋予系统内部光信号更强的稳定性。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格兰杰工程学院的研究人员开发出一种用作线性光隔离器的光子集成电路，它允许光以极低损耗单向通过，同时几乎完全阻断反向传播的所有光线。该研究成果发表于《自然-通讯》。

他们的设计灵感源自被称为“奥特勒-汤斯分裂”的原子物理学现象，他们在光子电路内部利用电光调制模拟了这一现象。

为什么磁隔离器难以胜任

“目前，最好的商业光隔离器是利用磁光材料构建的，”项目负责人、伊利诺伊大学格兰杰工程学院机械科学与工程系教授高拉夫·巴尔（Gaurav Bahl）表示。

“这种方法对于光纤网络等相对大规模的光子系统来说是可以接受的，但它无法用于集成光子学。磁性材料和磁光材料不适合在晶圆代工厂中进行加工。这些材料往往还具有较高的光损耗，且其有效特性存在很强的波长依赖性。”

“然而，随着我们不断扩大数据中心的规模，对紧凑、低功耗光信号路由的需求日益增长。因此，不使用磁性材料的芯片级集成隔离器器件正变得越来越重要。”

从声波到调谐

在先前的研究中，巴尔的研究小组曾开发出一款“声光”隔离器，利用声波模拟了奥特勒-汤斯分裂，从而打破了基于方向性的光传播对称性。然而，他们的声光器件面临着技术挑战：制造完成后极难进行精细调谐，并非每个器件都能正常工作，且工作波长无法轻易调谐以适应光子电路的其他部分。

全新的“电光”设计则使用了一种名为铌酸锂的可电调谐材料，完全不涉及声波，从而规避了先前设计的挑战。这种方法对激光波长具有通用适应性，可经过调整以适应多种不同的应用。在本项研究中，该器件针对通信波段进行了设计，这是许多光纤通信系统中使用的标准波长范围。

由于该器件中没有任何部件需要进行机械运动，因此还可以添加一层保护包层，以帮助保护器件免受环境影响。这一选项是此前的声光设计所不具备的。

性能媲美商业器件

衡量光隔离器性能的一个良好品质因数，是传播对比度与正向透射率的比值。这款新型片上器件的正向与反向传输品质因数接近 2,000（约 33 分贝/dB），且具有极低的正向损耗，使其性能达到了商业片外磁隔离器的水平。

此外，研究人员还证明了该电光隔离器可以在数太赫兹（THz）的范围内进行调谐——也就是说，其调谐能力比先前的声光版本高出数千倍。因此，可根据需要按需调节隔离功能，以匹配光子系统其他部分所使用的波长。

“作为本项工作的后续进展，我们正在研制一种宽带‘电光’隔离器，它将在极其宽广的波长范围内展现出优异的特性，从而不再需要调谐，”巴尔表示。“像这款隔离器这样的技术创新，可以在解决 AI 和计算等国家关键技术所面临的重大挑战中发挥关键作用。”

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原文：Highly tunable electro-optic isolator achieves one-way light flow on photonic chips