工程师开发出首个集成光隔离器
发布时间：2023-06-30 08:00:00 阅读数： 98
铌酸锂薄膜上的电光隔离器芯片的光学显微照片，包括四个具有不同调制长度的装置。资料来源：Loncar实验室/哈佛大学SEAS
哈佛大学约翰-A-保尔森工程与应用科学学院（SEAS）开发的一种光学隔离器可以极大地改善许多实际应用的光学系统。
所有的光学系统--用于电信、显微镜、成像、量子光子学等--都依赖于激光器来产生光子和光束。为了防止这些激光器受损和不稳定，这些系统还需要隔离器，即防止光向不希望的方向传播的部件。隔离器还通过防止光不受约束地反弹来帮助减少信号噪音。但是传统的隔离器在尺寸上相对笨重，并且需要一种以上的材料连接在一起，为实现更高的性能制造了障碍。
现在，由SEAS的电气工程师Marko Lončar领导的一个研究小组已经开发出一种方法，用于建造一个高效的集成隔离器，该隔离器可以无缝地集成到铌酸锂制成的光学芯片中。他们的研究结果发表在《自然-光子学》上。
"我们建造了一个装置，让激光器发出的光线不受影响地传播，而向激光器回传的反射光则改变其颜色并被重新引离激光器，"东南大学电气工程系Tiantsai Lin教授Lončar说。"这是通过在反射光信号的方向上发送电信号来实现的，从而利用铌酸锂出色的电光特性。"在这种情况下，可以施加电压来改变光信号的特性，包括速度和颜色。
"我们想为激光器创造一个更安全的工作环境，通过设计这种光的单行道，我们可以保护设备不受激光器反射的影响，"论文的共同第一作者、曾在Lončar实验室做博士后研究的余孟杰说。"据我们所知，与所有其他展示的集成隔离器相比，这个装置执行了世界上最好的光学隔离。除了隔离之外，它还提供了在所有指标上最具竞争力的性能，包括损耗、功率效率和可调谐性。"
"这篇论文的共同第一作者、Lončar实验室的一名在读博士生Rebecca Cheng说："这个装置的特别之处在于它的核心是令人难以置信的简单，它实际上只是一个单一的调制器。"以前所有类似的工程尝试都需要多个共振器和调制器。我们之所以能以如此显著的性能做到这一点，是因为铌酸锂的特性。"
高性能和高效率的另一个原因与该装置的尺寸有关--该团队在哈佛大学纳米系统中心建造了它，制造了一个厚度为600纳米的芯片，蚀刻（使用规定的纳米结构引导光线）深度达320纳米。
Yu说："有了更小的设备，你可以更容易地控制光线，也可以把光线放在离电信号更近的地方，从而在相同的电压下实现更强的电场，"实现对光线更有力的控制。
这个平台按比例缩小的尺寸和超低损耗的特性也提高了光功率。"Cheng说："由于光不必走得那么远，所以功率的衰减和损失较少。
最后，这些团队展示了该装置可以成功地保护片上激光器免受外部反射。"我们是第一个展示激光器在我们的光隔离器的保护下相位稳定运行的团队，"Yu说。
总的来说，这一进展代表了实用高性能光学芯片的一个重大飞跃。该团队报告说，它可以用于一系列的激光波长，只需要一个反传播的电信号就能达到预期效果。
该团队希望这一突破--作为在极小范围内将激光器和光子学元件集成到芯片上的更大努力的一部分--将在一系列应用中释放出新的能力，跨越电信业和时频传输，这是一种精确测量时间到原子和亚原子尺度的方法，可能对量子研究和计算有影响。
"将一个光学系统的所有方面整合到一个芯片上，可以取代许多更大、更昂贵、更低效的系统，"Yu说。"结合所有这些东西可以彻底改变许多领域的工作。"
参考资料
Mengjie Yu et al, Integrated electro-optic isolator on thin-film lithium niobate, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01227-8
