新型硅基集成光隔離器的研究進展

李明軒 于麗娟 劉建國

摘要：光隔離器是保障光通信系統穩定運行的重要核心器件。目前，光通信器件在單個芯片上的集成是必然趨勢，但光隔離器的集成仍然存在損耗高、隔離度差、集成工藝困難等諸多問題，復雜有源光通信器件片上集成的發展也因此受到了阻礙。概述了實現光隔離的幾種有效方案，介紹了硅基集成光隔離器的最新研究進展，并對其未來的發展態勢進行了展望。

關鍵詞：光學器件;硅基集成;非互易器件;光隔離器;波導結構

Abstract： Optical isolators are core devices to ensure the stable operation of optical communication systems. At present， the integration of optical communication devices on a single chip is an inevitable trend， but there are still some serious problems in the integration of isolators such as high loss， poor isolation， and difficult integrating process， which have hindered the development of on-chip integration of complex active optical communications devices. In this paper， several effective solutions for optical isolation and the latest research progress of silicon-based integrated optical isolators are introduced， and its future development is forecasted.

Key words： optical device; silicon-based integration; non-reciprocal device; optical isolators; waveguide structure

隨著信息時代的發展，為了更好地滿足其“爆炸式增長”的信息傳輸需要，人們對光纖通信模塊、鏈路和系統的性能要求也在逐步提升。在光路中，由于種種原因會產生與正向傳輸光方向相反的反射光。例如，當光耦合進入光纖時，由于連接器和熔接點的存在，將會在這些端面和點處產生與原傳輸方向相反的反射光。反射波的光子回到器件之中時，會與半導體材料進行二次作用。這將干擾發光材料的正常載流子分布，導致光路系統間產生自耦合效應和自激勵效應，造成其他波長和模式光的產生，同時會破壞傳輸穩定性并給器件帶來各種不良影響。這些不良影響包括：（1）對于直調激光器，反射波會給激光帶來啁啾，導致光源信號的劇烈波動，調制帶寬下降，十分不利于高速信號的長距離傳輸，嚴重時甚至會燒毀激光器;（2）對于光纖放大器，反射波的存在會增加噪聲強度，從而使傳輸信噪比降低;（3）對于模擬信號傳輸系統，本身抗電磁波干擾能力就較差，反射波會嚴重影響通信質量;（4）對于相干光通信系統而言，反射波會增加載波信號的光譜寬度并帶來頻率漂移，使系統無法滿足外差法的條件從而不能正常工作。

光隔離器是使光信號只允許沿一個方向傳播并能阻擋反射光的器件，又叫光單向器。它類似于電路中的“二極管”，能夠用來防止光路中由于各種原因產生的反射光給正向傳輸光帶來的不良影響。因此，光通信系統需要在這些端口處加入隔離器，這樣能夠有效地穩定系統的正常工作，從而保證信號的傳輸質量。衡量光隔離器性能的指標包括插入損耗、反向隔離度、回波損耗、3 dB隔離度帶寬、通帶帶寬、偏振相關損耗、溫度特性等。為了能夠使光隔離器在系統中發揮更好的效果，高反向隔離度、高工作帶寬、高回波損耗、高穩定性和可靠性、低插入損耗等特性是光隔離器的主要發展方向。

近年來，硅基光電子學的進步和絕緣層上硅（SOI）波導的出現，使光電子器件正朝著小型化和集成化的方向發展。這更讓人們看到了光通信系統在片上集成方面的發展前景，實現光電融合這一目標指日可待。與體型隔離器相比，集成光隔離器體積更小。特別是硅基集成的器件通過設計可以與其他器件一同進行流片生產，十分適用于集成光路中且有望進行大規模的生產。不僅如此，硅基集成的器件使用時不需要與光源進行對準，具有可靠性較高的特點。對于磁光隔離器而言，集成型磁光隔離器還具有所需的外加磁場強度更小等一系列優點;但由于缺乏一種有效且實用的光隔離器的集成方法，目前復雜的有源器件在光子集成芯片上的集成也受到了一些阻礙。

通過推導洛倫茲互易定理可知，對于線性的非時變傳輸系統而言，破壞互易定理成立的條件使上述方程不為零，即可得到非互易的光傳輸，實現反向光的隔離。因此，可以從破壞對稱性、破壞線性性以及破壞非時變性這3個角度去破壞互易定理，再根據物理性質不同的正反向光在同一種材料或結構中的傳播特性不同，最終可實現隔離反向光的效果。光隔離器的研究最初源于磁光材料及其法拉第旋光效應的發現，根據有無磁光材料可將光隔離器分為磁光隔離器或非磁光隔離器。

1.2 磁光隔離器

使用磁光材料的隔離器為磁光隔離器。磁光材料的介電常數張量是非對稱的，因此采用磁光方法可以從破壞對稱性的角度來打破洛倫茲互易定理，這也是光隔離重點研究的方向。衡量磁光材料隔離效果的物理參數為法拉第旋光系數。除此之外，材料的光學損耗也會影響到器件的最終性能。因此，較為理想的磁光材料需要同時具有比較大的法拉第旋光系數和比較低的光學吸收損耗，這種物理特性在鐵石榴石這種材料中較為常見。

1958年，DILLON JR. J. F.等人首次發現釔鐵石榴石材料Y3Fe5O12（YIG）對于紅外光具有較好的傳遞性和較低的傳輸損耗，可用于磁光隔離器的制造[1]。但由于當時材料的制備技術不成熟，在器件的實際制造方面幾乎沒有應用價值。20世紀70年代，液相外延（LPE）、射頻濺射技術的進步促進了薄膜材料的廣泛應用，磁光薄膜材料應運而生[2-4]。同時期，科學家們發現YIG中的Y3+離子在由少量抗磁性的Bi3+離子取代之后得到Bi：YIG，能夠在通信波長1 300 nm和1 550 nm附近具有高出之前磁光材料幾個數量級的法拉第旋光系數，且隨著Bi3+離子含量的增加線性增大。1988年，GOMI M.等人發現了利用Ce3+離子取代YIG材料中的Y3+離子得到Ce：YIG[5]，對于相同波長的光波，相比Bi：YIG有其5～6倍的法拉第旋光系數，且溫度系數更小。此后，產生了許多利用LPE和射頻濺射制備的Bi：YIG和Ce：YIG薄膜材料制成的磁光隔離器，為隔離器的小型化打開了局面。

傳統體型光隔離器為法拉第旋光型隔離器，由2個偏振器和中間的磁光材料組成。光的非互易性傳播通過磁光效應實現，即磁光材料在外加磁場下會產生法拉第旋光效應，原理如圖1所示。假設光從左到右為正向傳輸，豎直方向的線偏振光經過左側偏振器進入磁光材料，由于法拉第旋光效應使偏振方向從正向看過去逆時針旋轉了45°，之后恰好通過45°放置的右側偏振器輸出。當反向光進入隔離器時，斜45°的線偏振光經過右側偏振器進入磁光材料，由于法拉第旋光效應的非互易性會產生沿反向看過去的順時針45°旋光，此時光的偏振方向和左側偏振器的偏振方向垂直從而無法通過，由此可以實現對反向光的良好隔離。

上述體型隔離器要求進入隔離器的光波偏振方向是確定的，稱為偏振相關型磁光隔離器。還有偏振無關型的光隔離器，即不要求光波的初始偏振態，這種隔離器能夠適用于更廣泛的情況。

1.3 非磁光隔離器

非磁光方法的研究主要是為了解決磁光材料難以小型化和集成的弊端，除了打破對稱性角度之外，還可以從破壞線性性和非時變性角度來打破洛倫茲互易定理。線性材料的物理特性是不隨光的強度發生變化的;但對于一些非線性材料而言，不同的光強會導致材料的折射率隨之變化。因此，對于正反向的傳輸光，非線性材料的折射率分布不同，從而實現非互易傳輸。另外，正反向的光在波導中傳播還具有非時變性，即時間對稱性，因此也可以考慮打破這種性質來制成隔離器。

2 光隔離器的集成

目前，商用的體型磁光隔離器具有相對良好的隔離性能，但是不能滿足光通信器件小型化的需求，因此人們開始研究波導型的隔離器件。早期的研究者嘗試用在石榴石襯底上的石榴石器件去研究波導器件，涌現出了許多方法，包括：（1）利用模轉換的方法改變反向傳輸光的傳播模式;（2）利用非對稱馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）型波導和多模干涉型波導;（3）注入電流增大鐵磁材料對反向光的吸收系數等[6]。其中某些方法也可以達到30 dB以上的隔離度和1 dB以下的損耗;但這些以磁光材料作為波導或以石榴石材料作為襯底制成的器件，還存在如相位匹配條件難以實現、具有形狀誘導的雙折射效應、傳播損耗較大等缺點。

隨著硅基光電子學的發展，尤其是SOI波導的出現，硅已經成為實現光電融合的首選材料。SOI損耗很小，目前的工藝技術允許其實現復雜和多變的光子集成回路，同時與互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝兼容，加之調制器、放大器、探測器等器件均在硅襯底上進行集成制成光子集成芯片;因此，光隔離器在硅基平臺上的集成是未來發展的重要方向。YIG材料的磁光特性良好，尤其是摻雜稀土離子Bi3+和Ce3+之后具有較高的法拉第旋光系數，目前也被廣泛應用于光隔離器等磁光器件的制造。但石榴石材料難以集成在硅基光學芯片上，因為得到石榴石相需要進行熱退火，會帶來襯底之間的不匹配。因此，人們開始尋找各種無磁的硅基集成光隔離器的實現方法，同時也嘗試在石榴石材料的集成工藝上進行突破。

2.1 鍵合磁光薄膜的光隔離器

2008年，日本學者MIZUMOTO T.等人首次采用直接鍵合的方法將Ce：YIG薄膜集成到具有MZI結構的SOI波導上，其結構如圖2所示[7]。在給Ce：YIG薄膜施加反向平行磁場的情況下，光在器件中傳播時具有非互易相移，2臂中的反向光由于2種相移相差奇數倍而干涉相消，從而達到了隔離反向光波的效果。制成的器件在波長1 559 nm處達到最大隔離度21 dB，具有較大的工作帶寬。

2011年，TIEN M. C.等人首次用鍵合磁光石榴石的方法實現了硅光環形隔離器，結構如圖3所示[8]。該隔離器包括1個環形諧振器、1條直耦合波導和鍵合的薄膜Ce：YIG。通過給磁光薄膜施加以環形諧振器為中心的徑向磁場，產生的非互易效應打破了環形諧振器的對稱性，使光波在順時針（CW）和逆時針（CCW）傳播時具有不同的傳播常數，因此有不同的諧振波長。如果正向和反向的透射光譜偏移了自由光譜范圍的一半，則可以實現和優化光學隔離。正向光傳輸為CW模式且為非諧振波長，不會耦合進入環形諧振腔而直接從直波導的另一端輸出;反向光傳輸為CCW模式且為諧振波長下，因此大部分光耦合進入環形腔內產生諧振最終實現光隔離。測得該隔離器的在1 550 nm處具有9 dB的隔離度，并且因為波導結構相對簡單，附加的波導損耗較低。

之后BI L.等人在此基礎上進行了改進，將環形諧振器改為跑道型環形諧振器，如圖4所示[9]。相比環形的方案，跑道型諧振器的優點在于增大了直波導與諧振腔波導的耦合長度，讓光更容易在諧振波長耦合進入諧振腔;因此，隔離度得到了提高，在波長1 550 nm附近實現了19.5 dB的隔離效果。

2017年，PINTUS P.等人測出了環形諧振器結構的磁光隔離器的隔離性能：在波長1 558.35 nm附近達到最大隔離度32 dB，插入損耗為10 dB左右，順時針和逆時針傳播模式之間的帶寬之差為0.2 nm[10]。該器件采用同樣直接鍵合的方法制成，適用于橫磁（TM）模。將制成的隔離器芯片輸入、輸出端口分別與可調諧激光器以及光功率計相接，TM模的光利用帶有透鏡的保偏光纖接入芯片，光斑大小為2.5 μm。還測出了MZI結構的磁光隔離器的參數：最大隔離度大于10 dB，插入損耗小于4 dB，工作帶寬為20 nm左右。

對比2種結構的隔離器的性能可以發現，MZI結構的隔離器的最大隔離度較低，但是具有較大的工作帶寬。2種隔離器結構的插入損耗都較大（插入損耗主要由Ce：YIG薄膜的吸收引起），而且在環形諧振器結構中的吸收要更大一些，因為這種結構鍵合的芯片尺寸要更長。額外損耗可以通過縮短被覆蓋的直波導的長度，或改變波導寬度以減少光學模式與Ce：YIG之間的重疊來減小。在應用方面，由于環形諧振器結構的隔離器2種傳播模式之間的帶寬很窄，因此可以應用于對單波長激光器的隔離中;MZI結構的隔離器工作帶寬較大，更適用于波分復用系統和高速數字信號的傳輸系統中。

2.2 帶有閉鎖性磁光薄膜的法拉第旋光型光隔離器

在以往關于片上集成的磁光隔離器研究工作中，人們大多在改進波導結構等方面做出努力，例如采用法拉第旋光器結構、MZI結構、環形諧振器結構等等;但是關于減小器件尺寸以及去除磁化元件（如永磁鐵或電磁鐵）的問題還沒有得到廣泛關注。DOLENDRA K.等人采用晶體離子切片技術（如圖5所示），制成了高隔離度、低插入損耗的集成磁光隔離器[11]。通過這種技術制成的3種厚度（300 μm、50 μm和11 μm）的薄膜材料，測試出隔離度消光比均大于20 dB，插入損耗均小于0.1 dB。先利用LPE生長出高質量的塊狀材料，再利用基于離子注入的晶體離子切片技術，從高質量的塊狀材料中獲得微米級厚度的磁光薄膜樣品。這樣制造磁光材料的好處在于成功避免了在光波導上進行晶格外延生長的需要。此外，能夠將器件尺寸減小的重點在于這種磁光材料，不需要在器件內部放置磁體來產生磁場，即實現無磁體器件的制造。要達到這種效果，關鍵在于設計石榴石的組成成分。通過最大限度地引入銪（Eu）來實現沒有偏置磁體的飽和磁性狀態，以便在不產生補償點的情況下減小石榴石的飽和磁化強度。制成的這種磁光材料被稱為閉鎖型法拉第旋光鐵石榴石材料，材料內部存在預先鎖住的磁化場;因此，在應用時不需要加偏磁磁鐵，這樣可以大大縮小器件的尺寸。

2.3 基于馬赫-曾德爾行波調制器實現的光隔離器

2017年，SONG B. H.等人在對一種商用的馬赫-曾德爾調制器（MZM）加載射頻（RF）調制信號時，調制器能夠呈現出“時間門”的效果，即能夠阻擋任何反向傳輸的光波，但同時允許正向傳輸的周期性脈沖信號通過，結構及原理圖如圖6所示[12]。這個特定的功能是利用光波、電信號的共同傳播和逆向傳播在調制器中光信號、電信號的相互作用。反向傳播產生的調制器輸出等于輸入電信號的時間積分形式，積分窗口長度是調制器傳播延遲的2倍。當輸入電信號是周期性的RF頻率并且積分窗口是其周期的整數倍時，積分結果是恒定的零，輸入RF信號對于調制器反向傳輸光的輸出沒有影響。因此，當調制器偏置為零傳輸時，只要仔細選擇調制頻率，就可以阻擋與調制波相位無關的反向傳輸光波。正向傳輸光受RF驅動信號的常規調制。這樣，正弦周期中的每個RF信號峰值驅動調制器遠離零傳輸狀態，并且打開了前向光波的傳輸時間門。

2.4 實現光隔離的其他方法

除上述方法之外，人們還進行了其他無磁方法的探索。例如，利用帶有半疇結構的奇數個電疇的周期性極化鈮酸鋰晶體（O&HPPLN）構成一種新的非磁光隔離器[13];利用二維光子晶體結構實現非線性光子晶體隔離器[14];利用波導中的光子轉化能夠在相反的傳播模式中產生非互易相位響應的特點，提出了一種MZI結構來構成光隔離器[15];采用硅基集成的納米光子環諧振器利用角動量誘導來實現非互易性傳播[16];利用四波混頻（FWM）效應，采用具有級聯濾波器的硅基集成光學隔離[17]等。這些方法都從非磁光材料的角度來實現光隔離，但普遍處于理論驗證階段。同時，方法中采用的光學調制、非線性效應等均需要較大功率的輸入光，普遍存在結構復雜、正向光透過率低、損耗較大、實用性不強等弊端，但為實現集成光隔離的探索開辟了新的思路。

3 結束語

實現光隔離的基本方法是實現光在介質中的非互易性傳輸，可以借助磁光方法和非磁光方法來完成。磁光方法主要依靠磁光材料介電常數的不對稱性，通過法拉第旋光、非互易相移等具體方式來實現;而非磁光方法主要利用特殊的波導結構，改變介質折射率的分布或系統的非時變性來實現?？傮w來講，磁光方法較為成熟并具有良好的隔離性能，但磁光材料和磁化元件的集成較為困難，損耗較高;非磁光方法雖然無需利用磁光材料，容易集成，但是隔離性能較差，大多數方法仍處于理論研究階段。

對SOI波導器件的結構進行設計，產生了各類磁光以及非磁光隔離器件，且具有較高的集成度。磁光隔離器采用直接鍵合的方法將磁光薄膜材料貼合在SOI波導上;非磁光隔離器則利用光子躍遷、行波調制等方法。而馬赫-曾德爾結構和環形諧振器結構的集成光隔離器在2種方法中均較為常見。2種結構相比，馬赫-曾德爾結構具有較大的工作帶寬，更適用于多波長傳輸;但結構相對復雜，不僅帶來較高的彎曲波導損耗，更要求工藝容差小，需要較高的工藝精度。微環結構隔離度較大，結構簡單，損耗較低;但工作帶寬窄，實用性偏低。其他方法如具有行波調制的方法，也為隔離器的發展提供了新的思路。隨著工藝的不斷進步，隔離器會逐漸突破結構和材料的限制，實現高隔離度、低插入損耗、大工作帶寬、小尺寸、超緊湊的硅基光隔離器的集成。