中國學者首次在氮化硅光芯片上集成無磁光隔離器，助推未來量子互聯網
時光倒流會怎樣？想象電影倒放的樣子，一切行動都會反向沿著原來的軌跡從終點回到起點。如果這種現象成立，我們便稱之為“時間反演對稱性”。“時間反演對稱性”與另一個概念 “互易性” （reciprocity）總是相伴而生。簡單理解，某一物理過程與其逆過程是對等的，便可稱其具有“互易性”，若不對等，則稱為“非互易性”（nonreciprocity）。
生活中常見的大部分物理現象都具有 “時間反演對稱性”。例如，兩個人站在鏡子的兩側，如果你可以看見對方的眼睛，那么對方同時也可以看見你的眼睛。在光學上，我們稱之為光路可逆原理：即光總是沿著同一路徑傳播，無論是從正向還是反向傳播。
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但在某些場景，光的這種雙向互易傳播會帶來諸多問題。比如，激光器里發射出來的光若部分沿原路反射回到激光器的諧振腔里，便會影響激光穩定性，功率過高的話甚至會損壞激光器里的元件。
這時我們就需要 “非互易器件” 來打破光的傳播可逆特性，通過阻斷光的反向傳播使其只沿著單一的方向傳導。因為能阻斷某一方向的光傳播，這種器件被命名為 “光隔離器” （optical isolator）。而在集成光學技術領域，非互易性器件，尤其是光隔離器，是目前實現技術難度最高的功能器件。近期，來自美國普渡大學的田浩和瑞士洛桑聯邦理工學院的劉駿秋通過結合超低損耗集成光學和微機電系統（MEMS），實現了片上集成光隔離器。
光隔離器難以 “集成” 而遇到瓶頸
傳統上，光隔離器是利用一種特殊的光學材料——磁光材料——來實現光的單向傳播。其基本原理是法拉第效應：在外加磁場下，光的偏振方向在通過磁光材料后會發生偏轉。而這個偏轉的方向在光正向和反向傳播下方向相反。我們可以利用這一特性來使得只有一種偏轉方向的光通過，從而阻隔另一種偏轉方向的光。這種技術已經商業化并廣泛應用在現在的自由空間的光學系統里。
但運用這種技術制成的光隔離器存在一些弊端，比如體積較大。無論是磁光材料還是用來產生磁場的磁鐵均無法與當前的半導體大規模集成工藝兼容，因此通過磁光材料制成的光隔離器無法有效集成在單個小芯片上。而若想要將實驗室里大型光學系統做成商業化產品實際投入到我們的生活中使用，器件的尺寸、重量、功耗和成本是必須要考慮的因素。由此而言，如果可以在芯片上實現不依賴磁場的光隔離器就顯得尤為關鍵。隨著納米加工工藝的逐漸成熟，科學家們已經可以將半導體激光器、光調制器、低損耗光波導以及光探測器集成在芯片上。而集成光隔離器卻成為阻礙將全部光學元件集成在同一芯片上的瓶頸。而這也逐漸成為近幾年的研究熱點。科學家們提出了多種不同的方案，但都各有優缺點。光學的互易性一般適用于不隨時間變化的線性光學系統。于是有學者提出利用非線性的光學現象。通過特殊的光學設計，人們可以根據光入射的方向控制光在諧振腔里的強度，從而產生不同的傳播路徑。但是這種方法極大的依賴于光入射的強度，當光強高于或低于某個范圍時，這種非互易的特性就會消失。這就限制了這種器件能夠應用的范圍，因為在實際應用中我們往往沒法提前預知反射光的強度。
結合了微機電（MEMS）技術，在光子芯片上集成光隔離器
2009 年，華裔電氣工程專家范汕洄（Shanhui Fan）教授和喻宗夫（Zongfu Yu）博士提出對光子的 時空調制 （space-time modulating），并給出了嚴謹的理論推證，這為打破光學互易性提供了堅實的理論基礎，并開辟了新的方向。田浩與劉駿秋正是基于這個理論，在實驗上實現了光的單向傳輸，并且得出了跟理論預測相同的結果。他們利用了光子和聲子彈性散射過程中的能量和動量守恒定律。在時間上的調制滿足了能量守恒的要求，而空間上的調制則為了滿足動量守恒。動量是帶有方向的矢量，通過設計可以使聲子的動量指向某一個特定的方向，那么光的散射就只會發生在沿著動量的方向，而在另一個方向散射就不會發生，這也是 “相位匹配” 條件。通過控制特定方向的光散射，我們就可以控制光只沿著一個方向傳播。
氮化硅（Si3N4）作為當下最具潛力的硅基材料之一，其豐富的光學特性，尤其是超低光損耗和超寬光譜透明區間（從紫外延伸至中紅外）使其在薄膜光學、微納平面光學、非線性集成光學等諸多領域具有應用場景。但目前，尚未有研究者將其應用到“非互易器件”的研制中。結合“時空調制”的思路，田浩與劉駿秋所在團隊首次實現了在氮化硅上制作光隔離器。利用氮化硅的低波導損耗性質，該團隊實現了光隔離器信號耗損的大幅度降低——以 0.1dB 的水平遠低于目前已商業化的光隔離器 1dB 水平，即光耗損由 20% 降低至 2.3%。
在氮化硅制成的微環諧振器（microring resonator）上，他們等間距地集成了三個氮化鋁（AlN）體聲波諧振器。氮化鋁（AlN）材料作為一種高效成熟的壓電材料，目前已經被廣泛應用在無線通訊領域，基于氮化鋁的體聲波濾波器幾乎被應用在每一個手機芯片上，以接收無線信號。壓電材料是一種可以因機械變形產生電場的材料，家家戶戶都可見到的煤氣灶便是運用了壓電效應：扭動開關，壓力產生的電流可以幫助煤氣灶迅即燃起藍色火焰。田浩與劉駿秋便是利用氮化鋁來激發聲波。當聲波經過光學微環諧振腔的時候，聲波產生的壓力會改變光波導的折射率，同時也會改變波導的形狀。這兩個效應加在一起就對光波導產生了調制作用，而調制的頻率就是聲波震動的頻率，一般是幾個吉赫茲（GHz）。
由于氮化硅缺乏電光效應，人們很難對氮化硅波導進行快速有效的調制，而高效率的調制是整個光隔離器得以實現的關鍵。去年，該團隊在利用激發聲波實現了對氮化硅光諧振腔的吉赫茲頻率的調制（該成果發表在 2020 年《自然-通訊》上），解決了這一問題；緊接著，他們將這個技術應用在集成光頻率梳的高速聲光調制（該成果發表在 2020 年《自然》上）。與去年的工作不同的是，此次團隊通過刻蝕底層的硅襯底，將聲波束縛在5微米厚的氧化硅薄膜上，從而極大提高了聲波的能量密度，從而將調制效率提高了 100 倍。這也有助于我們降低器件的功耗。
圖 | 實驗中的兩個方向光脈沖的傳播
“在研究的過程中，我們認真調研和學習了之前很多光隔離器的實現方案，比如，基于法拉第效應、光力系統、非線性系統、甚至利用原子系綜的多普勒效應。其中許多杰出的成果都來自于中國的學者和老師。通過與他們的交流和討論，我們也加深了對課題的理解。相比于之前的工作，我們的工作的特點是集成度高、小型化、整體器件完全由電控制。” 劉駿秋解釋到。
總結起來，團隊研發的光隔離器相較于其他實驗方法的優點在于： 1）不需要外加磁場和磁光材料，極大的簡化加工工藝；2）結合了比較成熟的工業化的氮化鋁工藝，跟傳統的半導體工藝兼容，可以進行大規模的集成，降低成本；3）光波導建立在成熟的氮化硅波導上，擁有非常低的光學損耗；4）器件的工作只需要進行射頻波的電學驅動，技術比較成熟而且功耗較低；5）由于整體技術結合了成熟的微機電系統和集成光學，其工藝流程可以直接應用在商業級別的半導體工藝產線。器件可與已有光芯片系統直接集成。
攝 | 本文共同作者，瑞士洛桑聯邦理工學院博士后何吉駿
面向未來的應用：量子光互聯網絡
光隔離器首先可以集成在半導體激光器的出口，來防止反射光對激光器的擾動。近年來隨著量子技術的興起，用光纖通訊來傳輸量子信息，從而來構建大規模量子光互聯網絡獲得了廣泛的關注。該團隊高效的聲光調制可以用來將微波頻率的量子信息加載在光學載波上，從而進行遠距離傳輸。
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為了盡可能保護量子信息不被干擾，這類器件往往工作在超低溫低噪的環境當中，任何反射回來的光都有可能破壞這種環境。這時我們就需要光隔離器來隔離反射光，從而降低噪音。
“傳統的磁光隔離器首先尺寸比較大，不適合大量放在超低溫冷凍腔內。而且外加的磁場會干擾量子比特的運行。我們所研制的集成光隔離器可以很好的避免這些問題，有望在不久的將來應用在構建量子互聯網，進行量子信息的運算和傳輸。” 田浩在談到未來的技術應用時說。
此項成果在 10 月 21 日以 Magnetic-FreeSilicon Nitride Integrated Optical Isolator 為題，發表在光學頂級期刊 《自然-光子學》 上，并同時在 MEMS 和光學領域獲得廣泛關注。美國普渡大學電子與計算機工程專業博士生田浩與瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）劉駿秋博士為該篇文章的共同第一作者，洛桑聯邦理工學院教授 TobiasJ. Kippenberg 與普渡大學電子與計算機工程系教授 Sunil A. Bhave為共同通訊作者。此前，該項工作還在 2021 年的 IEEE MEMS 國際會議上獲得最佳學生論文的獎項，同時入選 2021 年國際光學會議 CLEO postdeadline 的會議報告。
歷時三年，不斷試錯
田浩本科就讀于天津大學與南開大學聯合培養的光電子技術專業，這段求學經歷為他打下堅實的光電子學理論和實驗基礎。在天津大學的資助下，田浩在本科期間獲得了在麻省理工學院交流深造的機會。受到麻省理工學院微光子學研究中心資深科學家 Jurgen Michel 教授和現天津大學教授張林博士的影響，田浩被光子與微納結構的機械相互作用所深深吸引。博士期間，他師從普渡大學 Sunil Bhave 教授，進一步研究了光子與聲子相互作用的奧義，并有幸能跟光機械領域奠基人之一 Tobias Kippenberg 教授及其團隊合作。
圖 | 田浩在實驗室
此次研究，便是將田浩所在團隊開發的壓電體聲波器件與劉駿秋所在團隊成熟的光子芯片技術相結合，獲得了 1+1>2 的效果——他們賦予氮化硅光子器件以全新的調控手段，使其能夠更快、更穩定地運行，為下一步大規模集成打下基礎。
在回顧整個科研歷程時，田浩說道：“我們這個項目從開始到初步有成效歷時三年多，中間經歷了不少挫折和試錯過程。在我們堅持不懈地反復優化設計后，才有了今天的結果。這也啟示我們做科研要有恒心和毅力。我們這個器件在理論上已經被論證是可行的，在實驗上卻有很多難關需要攻克。正是因為難，我們才需要不斷地去探索，很慶幸我們沒有放棄。”
