硅基單片集成寬帶磁光隔離器

  ICCSZ訊 電子科技大學(xué)國家電磁輻射控制材料工程技術(shù)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(tuán)隊(duì)、加州大學(xué)圣芭芭拉分校John Bowers教授合作，解決了硅基單片集成高優(yōu)值磁光薄膜的難題，發(fā)展了波導(dǎo)側(cè)壁磁光材料沉積技術(shù)，并基于非互易移相機(jī)理及Mach-Zehnder干涉(MZI)器結(jié)構(gòu)，研制了首個(gè)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(gè)長期挑戰(zhàn)，該器件能實(shí)現(xiàn)光的單向傳輸，從而保護(hù)激光光源，顯著降低相對(duì)強(qiáng)度噪聲(RIN)和相位噪聲，是光通信、光互聯(lián)和微波光子系統(tǒng)不可替代的核心器件。

  目前，光隔離器是唯一不能實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體芯片集成的核心光學(xué)器件，被稱為“集成光學(xué)領(lǐng)域的一大難題”。理想的光隔離器應(yīng)具備單片集成、小尺寸、高寬帶、偏振無關(guān)性以及與半導(dǎo)體工藝兼容等特點(diǎn)，而基于磁光效應(yīng)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(yīng)實(shí)現(xiàn)光隔離。然而，由于磁光材料與半導(dǎo)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(fā)展。

  研究者們發(fā)明了兩種集成的辦法來解決以上問題：

  一是晶圓鍵合技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)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(xiàng)技術(shù)需要高精度的對(duì)準(zhǔn)，并且粘合技術(shù)復(fù)雜，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。

  二是單片生長技術(shù)，與片上轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)大規(guī)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(shí)由于晶界散射，材料的光傳輸損耗較高，導(dǎo)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(xué)顯微鏡圖，標(biāo)尺長度為100 μm(b)TM模式 (d) TE模式磁光波導(dǎo)截面掃描電鏡圖，標(biāo)尺長度為100 nm

  針對(duì)上述難題，本研究團(tuán)隊(duì)采用氧空位穩(wěn)定Ce3+離子價(jià)態(tài)、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(xué)損耗，使多晶薄膜性能接近外延單晶薄膜水平。在器件設(shè)計(jì)和制備工藝方面，基于MZI結(jié)構(gòu)，通過直接在硅波導(dǎo)表面沉積高品質(zhì)Ce:YIG薄膜，實(shí)現(xiàn)了單片集成TM模式磁光隔離器;同時(shí)提出在硅波導(dǎo)側(cè)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(dǎo)的TE偏振磁光隔離器，證明了此技術(shù)對(duì)多材料平臺(tái)的兼容性。該工作報(bào)道的硅基單片集成光隔離器隔離度達(dá)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(bào)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(fā)表在Optica [doi.org/10.1364/OPTICA.6.000473]上。

  本工作得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的大力支持。

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