新型硅基集成光隔离器的研究进展

新型硅基集成光隔离器的研究进展

陈雯菁

国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心 100160

摘要：随着当前信息技术的发展，光通信技术成为了人们日常使用的一种工具，在人们的生产以及生活之中能够产生非常大的影响，在管不管通信之中，硅基集成光隔离器是经常使用的一种手段，对于光通信技术有着非常深远的影响，未来的世界中，信息技术是主要的竞争手段，因此新型的硅基集成光隔离器的研究至关重要，在当前我国对这方面的研究已经取得了一定的成果，本文主要对此进行分析，希望对相关从业人员有一定的参考。

关键词：光学器件；硅基集成；光隔离器

引言：随着当前信息时代的发展，信息传输的需求在不断增加，在这样的情况下，人们对于光纤通信等工作有着较高的要求，在光路中，由于各种原因，会产生与前向透射光相反方向的反射光。例如，当光耦合到光纤中时，由于连接器和融合点的存在，在这些端面和点处会产生与原始传输方向相反的反射光。当反射波的光子返回器件时，它会再次与半导体材料相互作用。这会干扰发光材料的正常载流子分布，导致光学系统之间的自耦合效应和自激发效应，从而产生其他波长和模式的光，同时会破坏传输稳定性并给设备带来各种不良影响。

一、当前激光器的不良影响

首先，对于直词激光器，反射波会给激光器带来啁啾，导致光源信号剧烈波动，调制带宽下降，不利于长距离传输。高速信号，严重时甚至烧毁激光器；其次，对于光纤放大器来说，反射波的存在会增加噪声强度，降低传输信噪比；第三，对于模拟信号传输系统，其抗电磁干扰能力差，反射波会严重影响通信质量；最后，对于相干光通信系统，反射波会增加载波信号的谱宽，带来频率漂移，使系统无法满足外差法的条件，从而无法正常工作。光隔离器是一种允许光信号仅沿一个方向传播并能阻挡反射光的器件，也称为光单向器件。它类似于电路中的“二极管”，可以用来防止光路中的反射光对前向光传输的不利影响。因此，光通信系统需要在这些端口增加隔离器，可以有效稳定系统的正常运行，从而保证信号传输质量。光隔离器的性能指标包括插入损耗、反向隔离、回波损耗、3dB隔离带宽、通带带宽、偏振相关损耗、温度特性等。为了使光隔离器在系统中发挥更好的作用，高反向隔离、高带宽、高回波损耗、高稳定性和可靠性、低插入损耗等特点是光隔离器的主要发展方向。

2. 光隔离的实现原理

1. 非互易传输

要实现光隔离的效果,需要打破光波在同一路径不同传播方向上的传播可逆性,使反向传输光具有与正向传输光不同的物理性质即实现光的非互易传输。对于一个双端口器件,通过洛伦兹互易定理的推导可知，对于线性非时变传输系统，通过打破互易定理的条件使上式不为零，可以得到非互易光传输，反向光隔离可以实现。因此，互易性定理可以从破坏对称性、破坏线性和破坏非时变三个方面来破除，进而根据前向和后向光在具有不同物理性质的相同材料或结构中的不同传播特性，得到最终可以实现逆光隔离。光隔离器的研究起源于磁光材料及其法拉第旋光效应的发现。光隔离器根据有无磁光材料可分为磁光隔离器或非磁光隔离器。

2. 磁光隔离器

磁光材料的介电常数张量是不对称的，因此利用磁光方法可以打破洛伦兹互易定理，这也是光隔离的重点研究方向。法拉第旋转系数是衡量磁光材料隔离效果的物理参数。此外，材料的光损耗也会影响器件的最终性能。因此，理想的磁光材料需要具有较大的法拉第旋转系数和较低的光吸收损耗，这在铁石榴石中很常见。

传统的光隔离器是法拉第光隔离器，它由两个偏光片和中间的磁光材料组成。光的非互易传播是通过磁光效应实现的，即磁光材料在外磁场作用下会产生法拉第旋光效应。其原理就是在两个偏光片中间放置一个磁光材料。假设光线沿正方向从左向右透射，垂直方向的线偏振光通过左偏光片进入磁光材料。由于法拉第旋转效应，偏振方向从正方向逆时针旋转45°，然后通过放置在45°的右偏振片输出。当反向光进入隔离器时，45°角的线偏振光通过右偏振器进入磁光材料。由于法拉第旋转效应的非互易性，会沿相反方向产生顺时针45°旋转。该光的偏振方向与左偏振片的偏振方向垂直，因此不能通过。因此，可以很好地隔离反向光。

3. 非慈光隔离器

除了打破对称性，洛伦兹互易定理还可以通过打破线性和非时变来打破。线性材料的物理性质不随光强变化；但是对于一些非线性材料，不同的光强会导致折射率的变化。因此，非线性材料的折射率分布对于前向和后向光传输是不同的，从而实现了非互易传输。另外，光在波导中的前向和后向传播也具有非时间变化性，即时间对称性，所以我们也可以考虑打破这个性质来制作隔离器。

2. 光隔离器的集成

随着硅基光电子学的发展，特别是SOI波导的出现，硅成为光电融合的首选材料。所以损失很小。目前的工艺技术使其能够实现复杂多变的光子集成电路，并兼容互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺。此外，将调制器、放大器、探测器等器件集成在硅衬底上，制成光子集成芯片；因此，在硅基平台上集成光隔离器是未来发展的一个重要方向。YIG材料具有良好的磁光性能，特别是掺杂稀土离子B和CE后，具有较高的法拉第旋光系数。它还广泛用于制造光隔离器等磁光器件。然而，由于石榴石相需要热退火，这会导致基板之间的不匹配，因此很难在硅基光学芯片上集成檀香。因此，人们开始寻找多种非磁性硅基集成光隔离器的实现方法，同时也试图在石榴石材料集成技术上取得突破。

1. 键合磁光薄膜的光隔离器

隔离器由环形谐振器、直耦合波导和粘合薄膜ceyig组成。通过向磁光膜施加以环形谐振腔为中心的径向磁场，非互易效应打破了环形谐振腔的对称性，使光波在顺时针（CW）和逆时针（CCW）传播中具有不同的传播常数，所以它有不同的共振波长。如果前向和后向透射光谱移动自由光谱范围的一半，则可以实现和优化光隔离。前向光传输为CW模式，非谐振波长，不耦合进入环形谐振腔，直接从直波导另一端输出；反向光传输是CCW模式和谐振波长，所以大部分光膏结合到环形腔中产生谐振，最终实现光隔离。隔离器在1550m处的隔离度为9dB，由于波导结构相对简单，附加波导损耗低。这种方法最早是日本的学者提出的，对当前的光隔离提出了一种新的方向。

2. 带有闭镇性的慈光薄膜的法拉第旋光性隔离器

法拉第转子结构、M结构和环形谐振器结构的主要问题是器件尺寸的减小和磁化元件（如水磁铁或电磁铁）的去除。国外研究人员利用晶体离子切片技术开发了一种高隔离度、低插入损耗的集成磁光隔离器。三种厚度（300μm、50μ）结果表明隔离度、消光比和插入损耗均大于20dB和小于0.1dB。通过基于离子注入的晶体离子切片技术，从高质量块体材料中获得薄膜，这种制造磁光材料的优点是成功地避免了光波导上晶格外延生长的需要。减小器件尺寸的关键在于磁光材料不需要在器件内部放置磁铁来产生磁场，即实现无磁铁制造器件。要达到这个效果，关键是是设计石榴石的成分，为了在没有补偿点的情况下降低石榴石的饱和磁化强度，可以通过最大程度地引入Fu来达到石榴石的饱和磁化强度程度。这种磁光材料称为闭锁法拉第旋转铁石榴石材料。材料中有预锁磁化场；因此，在应用中无需添加偏置磁铁，可以大大减小器件的尺寸，从而避免了当前存在的问题，实现了带有闭镇性的慈光薄膜的法拉第旋光性隔离器的制造。

2. 结束语

综上所述，技术的不断发展会推动人们对于相关产业制造的提升，所以在当前新型硅基集成光隔离器的研究进展之中，世界各国相关人才都提出了发展的方向以及未来，顺着这部分人的思路，可以实现光隔离器的集成，从而推动信息技术的进一步发展。

参考文献：

[1]刘书缘. 基于磁光移相效应的非互易光学器件研究[D].电子科技大学,2020.

[2]李明轩,于丽娟,刘建国.新型硅基集成光隔离器的研究进展[J].中兴通讯技术,2019,25(05):68-74.