硅基单片集成宽带磁光隔离器

  ICCSZ讯 电子科技大学国家电磁辐射控制材料工程技术研究中心毕磊教授与美国麻省理工Caroline A. Ross教授及胡崛隽教授团队、加州大学圣芭芭拉分校John Bowers教授合作，解决了硅基单片集成高优值磁光薄膜的难题，发展了波导侧壁磁光材料沉积技术，并基于非互易移相机理及Mach-Zehnder干涉(MZI)器结构，研制了首个硅基单片集成的宽带磁光隔离器。

图1 硅基单片集成磁光隔离器示意图

  片上集成光隔离器件是集成光电子芯片中的一个长期挑战，该器件能实现光的单向传输，从而保护激光光源，显著降低相对强度噪声(RIN)和相位噪声，是光通信、光互联和微波光子系统不可替代的核心器件。

  目前，光隔离器是唯一不能实现半导体芯片集成的核心光学器件，被称为“集成光学领域的一大难题”。理想的光隔离器应具备单片集成、小尺寸、高宽带、偏振无关性以及与半导体工艺兼容等特点，而基于磁光效应的无源器件是最有吸引力的解决方案之一。

  目前商用的分立器件均是基于YIG，Bi：YIG等磁光晶体的法拉第效应实现光隔离。然而，由于磁光材料与半导体基片材料间很大的晶格失配和热失配，材料集成难，因此片上集成的磁光隔离器一直没有得到很好的发展。

  研究者们发明了两种集成的办法来解决以上问题：

  一是晶圆键合技术，这项技术的优点是能制备出高旋光度低损耗的Ce:YIG薄膜，这有助于降低器件的插入损耗。然而此项技术需要高精度的对准，并且粘合技术复杂，不利于大规模生产。

  二是单片生长技术，与片上转移法不同的是，该法与CMOS工艺兼容，直接在硅衬底上生长薄膜，可以实现大规模制备。

  然而，硅基集成的磁光材料的法拉第旋光低于外延薄膜，同时由于晶界散射，材料的光传输损耗较高，导致单片集成的磁光隔离器长期以来难以突破。

  图2 (a)TE模式 (c) TM模式磁光隔离器的光学显微镜图，标尺长度为100 μm(b)TM模式 (d) TE模式磁光波导截面扫描电镜图，标尺长度为100 nm

  针对上述难题，本研究团队采用氧空位稳定Ce3+离子价态、提高固溶度、采用两步沉积方法获得纯相磁光材料等方法，显著提高了材料的法拉第旋光、降低了光学损耗，使多晶薄膜性能接近外延单晶薄膜水平。在器件设计和制备工艺方面，基于MZI结构，通过直接在硅波导表面沉积高品质Ce:YIG薄膜，实现了单片集成TM模式磁光隔离器;同时提出在硅波导侧壁沉积Ce:YIG薄膜，首次制备出基于TE模式的单片集成宽带磁光隔离器。

  此外，通过相同工艺，首次研制了基于SiN波导的TE偏振磁光隔离器，证明了此技术对多材料平台的兼容性。该工作报道的硅基单片集成光隔离器隔离度达到30 dB、插损为5 dB、20 dB隔离带宽为2 nm，为目前硅基光隔离器报道的最高水平，尺寸在宽带器件中也是最小的。

图3 磁光隔离器的正反向传输曲线(a)TM模式(b)TE模式(c)TM模式(d)TE模式磁光隔离器的隔离度及插损

  该成果以“Monolithic integration of broadband opticalisolators for polarization-diverse silicon photonics”为题，发表在Optica [doi.org/10.1364/OPTICA.6.000473]上。

  本工作得到国家自然科学基金项目，科技部重点研发计划的大力支持。

  论文链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.6.000473