硅基單片集成寬帶磁光隔離器

  ICCSZ訊 電子科技大學國家電磁輻射控制材料工程技術研究中心畢磊教授與美國麻省理工Caroline A. Ross教授及胡崛雋教授團隊、加州大學圣芭芭拉分校John Bowers教授合作，解決了硅基單片集成高優值磁光薄膜的難題，發展了波導側壁磁光材料沉積技術，并基于非互易移相機理及Mach-Zehnder干涉(MZI)器結構，研制了首個硅基單片集成的寬帶磁光隔離器。

圖1 硅基單片集成磁光隔離器示意圖

  片上集成光隔離器件是集成光電子芯片中的一個長期挑戰，該器件能實現光的單向傳輸，從而保護激光光源，顯著降低相對強度噪聲(RIN)和相位噪聲，是光通信、光互聯和微波光子系統不可替代的核心器件。

  目前，光隔離器是唯一不能實現半導體芯片集成的核心光學器件，被稱為“集成光學領域的一大難題”。理想的光隔離器應具備單片集成、小尺寸、高寬帶、偏振無關性以及與半導體工藝兼容等特點，而基于磁光效應的無源器件是最有吸引力的解決方案之一。

  目前商用的分立器件均是基于YIG，Bi：YIG等磁光晶體的法拉第效應實現光隔離。然而，由于磁光材料與半導體基片材料間很大的晶格失配和熱失配，材料集成難，因此片上集成的磁光隔離器一直沒有得到很好的發展。

  研究者們發明了兩種集成的辦法來解決以上問題：

  一是晶圓鍵合技術，這項技術的優點是能制備出高旋光度低損耗的Ce:YIG薄膜，這有助于降低器件的插入損耗。然而此項技術需要高精度的對準，并且粘合技術復雜，不利于大規模生產。

  二是單片生長技術，與片上轉移法不同的是，該法與CMOS工藝兼容，直接在硅襯底上生長薄膜，可以實現大規模制備。

  然而，硅基集成的磁光材料的法拉第旋光低于外延薄膜，同時由于晶界散射，材料的光傳輸損耗較高，導致單片集成的磁光隔離器長期以來難以突破。

  圖2 (a)TE模式 (c) TM模式磁光隔離器的光學顯微鏡圖，標尺長度為100 μm(b)TM模式 (d) TE模式磁光波導截面掃描電鏡圖，標尺長度為100 nm

  針對上述難題，本研究團隊采用氧空位穩定Ce3+離子價態、提高固溶度、采用兩步沉積方法獲得純相磁光材料等方法，顯著提高了材料的法拉第旋光、降低了光學損耗，使多晶薄膜性能接近外延單晶薄膜水平。在器件設計和制備工藝方面，基于MZI結構，通過直接在硅波導表面沉積高品質Ce:YIG薄膜，實現了單片集成TM模式磁光隔離器;同時提出在硅波導側壁沉積Ce:YIG薄膜，首次制備出基于TE模式的單片集成寬帶磁光隔離器。

  此外，通過相同工藝，首次研制了基于SiN波導的TE偏振磁光隔離器，證明了此技術對多材料平臺的兼容性。該工作報道的硅基單片集成光隔離器隔離度達到30 dB、插損為5 dB、20 dB隔離帶寬為2 nm，為目前硅基光隔離器報道的最高水平，尺寸在寬帶器件中也是最小的。

圖3 磁光隔離器的正反向傳輸曲線(a)TM模式(b)TE模式(c)TM模式(d)TE模式磁光隔離器的隔離度及插損

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

  本工作得到國家自然科學基金項目，科技部重點研發計劃的大力支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.6.000473