片上集成的光隔离器

光隔离器，又称为光二极管，是一种只允许光单向通过的器件。由于激光器、放大器等对反射光非常敏感，反射光会导致其性能下降，通常使用光隔离器来阻隔反射光。光隔离器在光通信系统中扮演了非常重要的角色。

传统的体块光隔离器，其工作原理是基于磁光晶体的磁光效应，示意图如下，

（图片来自http://laser.ofweek.com/2012-09/ART-240001-11001-28641010.html）

在磁场作用下，光场通过磁光晶体后其偏振方向会发生一定角度的旋转。对于正向入射的光，设计好磁场强度和晶体长度，使得光场通过晶体后，偏振方向旋转45度，最终通过45度的检偏器。而对于反向入射的光，初始偏振角度为45度，通过磁光晶体后，偏振变为水平偏振，不能通过竖直偏振的检偏器，从而达到阻断反射光的目的。

上述光隔离器是偏振相关的，可以通过磁光晶体和双折射晶体组合构成偏振无关的光隔离器，示意图如下图所示。正向入射的光，最终合成一束光向前传播，而反向入射的光，发散为两束不同偏振的光。

(图片来自 https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_isolator)

常用的光隔离器材料是石榴石（YIG）。该材料有较小的光吸收系数和较大的磁光系数。光隔离器的主要性能指标是插入损耗、隔离度和工作带宽。

如何在光芯片上集成光隔离器，从而进一步降低成本，减小系统的体积？最直接的想法是套用体块光隔离器的结构，在芯片上集成磁光材料，利用磁光效应旋转光的偏振方向。但是这种方法涉及到不同偏振波导模式之间的转换，需要满足相位匹配条件，对波导的尺寸等参数需严格控制。实际加工制备时很难控制。这种方法并不可取。

文献中报道较多的方法是利用磁光效应带来的光场相位变化，基于Mach-Zehnder干涉器结构，将相位变化转换为强度变化，从而实现片上光隔离器。典型的结构示意图如下，

（图片来自文献1）

上图中浅黄色的区域表示YIG晶体。光场从port1输入时，从port4输出；反射光从port4输入时，从port2输出。这样就实现了正向传输反向隔离的功能。上述结构的相位关系，如下图所示，

（图片来自文献 1）

YIG晶体可以通过表面直接键合、溅射等方式集成到硅光芯片上。

另一种方式是利用硅光的电光调制器，通过设计不同调制器的驱动信号，达到光隔离的目的。示意图如下，

（图片来自文献2）

光信号正向入射时，满足下式（式1）

其中delta_T是两个调制器之间的时间延时。光信号反向入射时，满足下式（式2），

delta_T=1/4f时，式(1)等于1，式(2)为exp(i*2A*sin(2pi*ft))，可以展开为贝塞尔函数的形式。根据贝塞尔函数的性质，当J0(2A)=0时，反射光就会转换为其他波长的光信号，从而实现反向隔离。

该类型的光隔离器工作带宽非常小。为了提高上述光隔离器的工作带宽，可以设计更复杂的调制器结构，如下图所示，

（图片来自文献2）

该方案的另一个缺陷是增加了功耗（驱动调制器）。

上述两种方法都是有源方案，人们更希望通过无源器件实现光隔离器。人们提出基于二维光子晶体的方案，示意图如下，

（图片来自文献3）

光子晶体的孔洞半径发生变化，打破了空间对称性，从而实现正向导通反向隔离的功能。该方案的插入损耗较大。

以上列举了几种片上光隔离器的实现方案。还有一些其他方案，就不一一列举了。总体说来，片上光隔离器目前仍处于实验室研究阶段，虽然方案较多，但每种方案都存在一定的缺陷，距离真正实用还有一段距离。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出！

参考文献：

1. R. Takei, and T. Mizumoto, "Design and simulation of Silicon Waveguide Optical circulator Employing Nonreciprocal Phase shift", Japanese Journal of Applied Physics 49, 052203(2010)
2. C. Doerr, et.al., "Silicon photonics broadband modulation based isolator", Opt. Exp. 22, 004493(2014)
3. C. Wang, et.al., "Linear and passive silicon optical isolator", Sci. Rep. 2, 674(2012)