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。
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参考文献: