近日，斯坦福大學(xué)的研究人員表示，他們已經(jīng)發(fā)明了一種簡易、高效的芯片級光隔離器，能夠嵌入一層比紙張薄數(shù)百倍的半導(dǎo)體材料中。
圖1 芯片級光隔離器的特寫
“芯片級光隔離器一直是光子學(xué)領(lǐng)域有待解決的巨大難題之一。”斯坦福大學(xué)電子工程教授Jelena Vuckovic說，她同時也是此項(xiàng)12月1日發(fā)表在Nature Photonics上研究的主要作者。
“每個激光器都需要光隔離器來抑制背向反射進(jìn)入激光器，造成激光器不穩(wěn)定。” Vuckovic實(shí)驗(yàn)室的博士候選人、本篇論文的共同第一作者Alexander White說。他補(bǔ)充道，這一設(shè)備能用于普通計算機(jī)中，甚至也能夠用于量子計算等新一代技術(shù)中。
這種納米級光隔離器具有應(yīng)用前景，主要原因在于：首先，這種隔離器是被動作用，無需外部輸入，也無需復(fù)雜的電子或磁性裝置，而這正是此前一直阻礙芯片級激光器的原因所在——額外的裝置導(dǎo)致設(shè)備體積過大、無法用于集成光子學(xué)應(yīng)用中，同時可能導(dǎo)致電流干擾，以致?lián)p害芯片上其他組件。
另一個優(yōu)點(diǎn)是，這種新型光隔離器是由常見、常用的半導(dǎo)體基材料制成，也能使用現(xiàn)有的半導(dǎo)體加工技術(shù)制造，未來可能較為簡單的就能用作大規(guī)模生產(chǎn)。
新型光隔離器的形狀類似圓環(huán)形，由氮化硅制成——一種基于最常用半導(dǎo)體硅的材料。強(qiáng)初級激光束進(jìn)入圓環(huán)中，光子沿順時針方向繞環(huán)旋轉(zhuǎn)；與此同時，背向反射的光束會沿反時針方向旋轉(zhuǎn)重新送回圓環(huán)。
“輸入的激光能量循環(huán)了多次，在環(huán)內(nèi)逐漸增強(qiáng)。不斷增加的激光功率改變了較弱的光束，而較強(qiáng)的不受影響，”本文共同第一作者Geun Ho Ahn解釋說。他是電子工程的博士生，主要研究較弱光束停止諧振的原因。“其中僅有反射光被有效地抵消了。”之后，被成功“隔離”的初級激光從隔離器中出射。
Vuckovic及其團(tuán)隊(duì)已制造了一臺光隔離器原型，并對其設(shè)計進(jìn)行了驗(yàn)證；同時還將兩個環(huán)形光隔離器級聯(lián)在一起，獲得了更好的性能。
“下一步包括研究用于不同頻率的光隔離器，” Vuckovic實(shí)驗(yàn)室的博士后學(xué)者Kasper Van Gasse說。“以及在芯片規(guī)模上更緊密地集成組件，以探索隔離器的其他用途，并提高性能。”
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