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中国学者首次在氮化硅光芯片上集成无磁光隔离器,助推未来量子互联网


时光倒流会怎样?想象电影倒放的样子,一切行动都会反向沿着原来的轨迹从终点回到起点。如果这种现象成立,我们便称之为“时间反演对称性”。“时间反演对称性”与另一个概念 “互易性” (reciprocity)总是相伴而生。简单理解,某一物理过程与其逆过程是对等的,便可称其具有“互易性”,若不对等,则称为“非互易性”(nonreciprocity)。

生活中常见的大部分物理现象都具有 “时间反演对称性”。例如,两个人站在镜子的两侧,如果你可以看见对方的眼睛,那么对方同时也可以看见你的眼睛。在光学上,我们称之为光路可逆原理:即光总是沿着同一路径传播,无论是从正向还是反向传播。

(来源:Pixabay)

 但在某些场景,光的这种双向互易传播会带来诸多问题。比如,激光器里发射出来的光若部分沿原路反射回到激光器的谐振腔里,便会影响激光稳定性,功率过高的话甚至会损坏激光器里的元件。

这时我们就需要 “非互易器件” 来打破光的传播可逆特性,通过阻断光的反向传播使其只沿着单一的方向传导。因为能阻断某一方向的光传播,这种器件被命名为 “光隔离器” (optical isolator)。而在集成光学技术领域,非互易性器件,尤其是光隔离器,是目前实现技术难度最高的功能器件。近期,来自美国普渡大学的田浩和瑞士洛桑联邦理工学院的刘骏秋通过结合超低损耗集成光学和微机电系统(MEMS),实现了片上集成光隔离器。

光隔离器难以 “集成” 而遇到瓶颈

传统上,光隔离器是利用一种特殊的光学材料——磁光材料——来实现光的单向传播。其基本原理是法拉第效应:在外加磁场下,光的偏振方向在通过磁光材料后会发生偏转。而这个偏转的方向在光正向和反向传播下方向相反。我们可以利用这一特性来使得只有一种偏转方向的光通过,从而阻隔另一种偏转方向的光。这种技术已经商业化并广泛应用在现在的自由空间的光学系统里。

但运用这种技术制成的光隔离器存在一些弊端,比如体积较大。无论是磁光材料还是用来产生磁场的磁铁均无法与当前的半导体大规模集成工艺兼容,因此通过磁光材料制成的光隔离器无法有效集成在单个小芯片上。而若想要将实验室里大型光学系统做成商业化产品实际投入到我们的生活中使用,器件的尺寸、重量、功耗和成本是必须要考虑的因素。由此而言,如果可以在芯片上实现不依赖磁场的光隔离器就显得尤为关键。随着纳米加工工艺的逐渐成熟,科学家们已经可以将半导体激光器、光调制器、低损耗光波导以及光探测器集成在芯片上。而集成光隔离器却成为阻碍将全部光学元件集成在同一芯片上的瓶颈。而这也逐渐成为近几年的研究热点。科学家们提出了多种不同的方案,但都各有优缺点。光学的互易性一般适用于不随时间变化的线性光学系统。于是有学者提出利用非线性的光学现象。通过特殊的光学设计,人们可以根据光入射的方向控制光在谐振腔里的强度,从而产生不同的传播路径。但是这种方法极大的依赖于光入射的强度,当光强高于或低于某个范围时,这种非互易的特性就会消失。这就限制了这种器件能够应用的范围,因为在实际应用中我们往往没法提前预知反射光的强度。

结合了微机电(MEMS)技术,在光子芯片上集成光隔离器

2009 年,华裔电气工程专家范汕洄(Shanhui Fan)教授和喻宗夫(Zongfu Yu)博士提出对光子的 时空调制 (space-time modulating),并给出了严谨的理论推证,这为打破光学互易性提供了坚实的理论基础,并开辟了新的方向。田浩与刘骏秋正是基于这个理论,在实验上实现了光的单向传输,并且得出了跟理论预测相同的结果。他们利用了光子和声子弹性散射过程中的能量和动量守恒定律。在时间上的调制满足了能量守恒的要求,而空间上的调制则为了满足动量守恒。动量是带有方向的矢量,通过设计可以使声子的动量指向某一个特定的方向,那么光的散射就只会发生在沿着动量的方向,而在另一个方向散射就不会发生,这也是 “相位匹配” 条件。通过控制特定方向的光散射,我们就可以控制光只沿着一个方向传播。

氮化硅(Si3N4)作为当下最具潜力的硅基材料之一,其丰富的光学特性,尤其是超低光损耗和超宽光谱透明区间(从紫外延伸至中红外)使其在薄膜光学、微纳平面光学、非线性集成光学等诸多领域具有应用场景。但目前,尚未有研究者将其应用到“非互易器件”的研制中。结合“时空调制”的思路,田浩与刘骏秋所在团队首次实现了在氮化硅上制作光隔离器。利用氮化硅的低波导损耗性质,该团队实现了光隔离器信号耗损的大幅度降低——以 0.1dB 的水平远低于目前已商业化的光隔离器 1dB 水平,即光耗损由 20% 降低至 2.3%。

在氮化硅制成的微环谐振器(microring resonator)上,他们等间距地集成了三个氮化铝(AlN)体声波谐振器。氮化铝(AlN)材料作为一种高效成熟的压电材料,目前已经被广泛应用在无线通讯领域,基于氮化铝的体声波滤波器几乎被应用在每一个手机芯片上,以接收无线信号。压电材料是一种可以因机械变形产生电场的材料,家家户户都可见到的煤气灶便是运用了压电效应:扭动开关,压力产生的电流可以帮助煤气灶迅即燃起蓝色火焰。田浩与刘骏秋便是利用氮化铝来激发声波。当声波经过光学微环谐振腔的时候,声波产生的压力会改变光波导的折射率,同时也会改变波导的形状。这两个效应加在一起就对光波导产生了调制作用,而调制的频率就是声波震动的频率,一般是几个吉赫兹(GHz)。

由于氮化硅缺乏电光效应,人们很难对氮化硅波导进行快速有效的调制,而高效率的调制是整个光隔离器得以实现的关键。去年,该团队在利用激发声波实现了对氮化硅光谐振腔的吉赫兹频率的调制(该成果发表在 2020 年《自然-通讯》上),解决了这一问题;紧接着,他们将这个技术应用在集成光频率梳的高速声光调制(该成果发表在 2020 年《自然》上)。与去年的工作不同的是,此次团队通过刻蚀底层的硅衬底,将声波束缚在5微米厚的氧化硅薄膜上,从而极大提高了声波的能量密度,从而将调制效率提高了 100 倍。这也有助于我们降低器件的功耗。

图 | 实验中的两个方向光脉冲的传播

 “在研究的过程中,我们认真调研和学习了之前很多光隔离器的实现方案,比如,基于法拉第效应、光力系统、非线性系统、甚至利用原子系综的多普勒效应。其中许多杰出的成果都来自于中国的学者和老师。通过与他们的交流和讨论,我们也加深了对课题的理解。相比于之前的工作,我们的工作的特点是集成度高、小型化、整体器件完全由电控制。” 刘骏秋解释到。

总结起来,团队研发的光隔离器相较于其他实验方法的优点在于: 1)不需要外加磁场和磁光材料,极大的简化加工工艺;2)结合了比较成熟的工业化的氮化铝工艺,跟传统的半导体工艺兼容,可以进行大规模的集成,降低成本;3)光波导建立在成熟的氮化硅波导上,拥有非常低的光学损耗;4)器件的工作只需要进行射频波的电学驱动,技术比较成熟而且功耗较低;5)由于整体技术结合了成熟的微机电系统和集成光学,其工艺流程可以直接应用在商业级别的半导体工艺产线。器件可与已有光芯片系统直接集成。

摄 | 本文共同作者,瑞士洛桑联邦理工学院博士后何吉骏

面向未来的应用:量子光互联网络

光隔离器首先可以集成在半导体激光器的出口,来防止反射光对激光器的扰动。近年来随着量子技术的兴起,用光纤通讯来传输量子信息,从而来构建大规模量子光互联网络获得了广泛的关注。该团队高效的声光调制可以用来将微波频率的量子信息加载在光学载波上,从而进行远距离传输。

(来源:Pixabay)

 为了尽可能保护量子信息不被干扰,这类器件往往工作在超低温低噪的环境当中,任何反射回来的光都有可能破坏这种环境。这时我们就需要光隔离器来隔离反射光,从而降低噪音。

“传统的磁光隔离器首先尺寸比较大,不适合大量放在超低温冷冻腔内。而且外加的磁场会干扰量子比特的运行。我们所研制的集成光隔离器可以很好的避免这些问题,有望在不久的将来应用在构建量子互联网,进行量子信息的运算和传输。” 田浩在谈到未来的技术应用时说。

此项成果在 10 月 21 日以 Magnetic-FreeSilicon Nitride Integrated Optical Isolator 为题,发表在光学顶级期刊 《自然-光子学》 上,并同时在 MEMS 和光学领域获得广泛关注。美国普渡大学电子与计算机工程专业博士生田浩与瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)刘骏秋博士为该篇文章的共同第一作者,洛桑联邦理工学院教授 TobiasJ. Kippenberg 与普渡大学电子与计算机工程系教授 Sunil A. Bhave为共同通讯作者。此前,该项工作还在 2021 年的 IEEE MEMS 国际会议上获得最佳学生论文的奖项,同时入选 2021 年国际光学会议 CLEO postdeadline 的会议报告。

历时三年,不断试错

田浩本科就读于天津大学与南开大学联合培养的光电子技术专业,这段求学经历为他打下坚实的光电子学理论和实验基础。在天津大学的资助下,田浩在本科期间获得了在麻省理工学院交流深造的机会。受到麻省理工学院微光子学研究中心资深科学家 Jurgen Michel 教授和现天津大学教授张林博士的影响,田浩被光子与微纳结构的机械相互作用所深深吸引。博士期间,他师从普渡大学 Sunil Bhave 教授,进一步研究了光子与声子相互作用的奥义,并有幸能跟光机械领域奠基人之一 Tobias Kippenberg 教授及其团队合作。

图 | 田浩在实验室

 此次研究,便是将田浩所在团队开发的压电体声波器件与刘骏秋所在团队成熟的光子芯片技术相结合,获得了 1+1>2 的效果——他们赋予氮化硅光子器件以全新的调控手段,使其能够更快、更稳定地运行,为下一步大规模集成打下基础。

在回顾整个科研历程时,田浩说道:“我们这个项目从开始到初步有成效历时三年多,中间经历了不少挫折和试错过程。在我们坚持不懈地反复优化设计后,才有了今天的结果。这也启示我们做科研要有恒心和毅力。我们这个器件在理论上已经被论证是可行的,在实验上却有很多难关需要攻克。正是因为难,我们才需要不断地去探索,很庆幸我们没有放弃。”

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