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)

  ICC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”?！皶r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。

(來源：Pixabay)

  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)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?？茖W(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度，當(dāng)光強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)知反射光的強度。 結(jié)合了微機電(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。

  光隔離器的仿真模擬過程

  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)用在每一個手機芯片上，以接收無線信號。壓電材料是一種可以因機械變形產(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。

  “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。

攝 | 本文共同作者，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院博士后何吉駿

  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，從而進行遠(yuǎn)距離傳輸。

(來源：Pixabay) 

 為了盡可能保護量子信息不被干擾，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，進一步研究了光子與聲子相互作用的奧義，并有幸能跟光機械領(lǐng)域奠基人之一 Tobias Kippenberg 教授及其團隊合作。

  圖 | 田浩在實驗室

  此次研究，便是將田浩所在團隊開發(fā)的壓電體聲波器件與劉駿秋所在團隊成熟的光子芯片技術(shù)相結(jié)合，獲得了 1+1>2 的效果——他們賦予氮化硅光子器件以全新的調(diào)控手段，使其能夠更快、更穩(wěn)定地運行，為下一步大規(guī)模集成打下基礎(chǔ)。

  在回顧整個科研歷程時，田浩說道：“我們這個項目從開始到初步有成效歷時三年多，中間經(jīng)歷了不少挫折和試錯過程。在我們堅持不懈地反復(fù)優(yōu)化設(shè)計后，才有了今天的結(jié)果。這也啟示我們做科研要有恒心和毅力。我們這個器件在理論上已經(jīng)被論證是可行的，在實驗上卻有很多難關(guān)需要攻克。正是因為難，我們才需要不斷地去探索，很慶幸我們沒有放棄。”