CN117555168B

CN117555168B - 片上集成磁光隔离器

Info

Publication number: CN117555168B
Application number: CN202410031738.8A
Authority: CN
Inventors: 张燕; 杜清扬; 虞绍良
Original assignee: Zhejiang Lab
Current assignee: Zhejiang Lab
Priority date: 2024-01-09
Filing date: 2024-01-09
Publication date: 2024-04-19
Anticipated expiration: 2044-01-09
Also published as: CN117555168A

Abstract

本申请涉及片上集成磁光隔离器，其中，片上集成磁光隔离器包括：入射波导阵列，用于输入至少一个波长的光；与所述入射波导阵列连接的磁光隔离器，用于实现光的正向传输反向隔离；所述磁光隔离器包括阵列波导光栅、磁光薄膜以及磁场施加装置；其中，所述磁光薄膜在所述阵列波导光栅表面，所述至少一个波长的光在所述阵列波导光栅中传播，所述磁场施加装置用于施加与所述阵列波导光栅的光传输方向垂直的磁场；与所述磁光隔离器连接的出射波导阵列，用于输出所述至少一个波长的光，具有对光波的正向传输，反向隔离的功能，能够满足波长范围高达百纳米的链路应用，提高光的隔离效果，从而实现对激光器的保护作用。

Description

片上集成磁光隔离器

技术领域

本申请涉及硅基光电子器件技术领域，特别是涉及片上集成磁光隔离器。

背景技术

片上集成磁光隔离器是硅基光电子器件领域中不可或缺的重要组成部分。在光传输链路中，其特有的只允许单向传输的特性可过滤掉链路中各处因模式不匹配或波导粗糙度等产生的反射光，能极大的提高整个链路传输的稳定性。

光隔离器常用于半导体激光器后端，用于保护激光器免受链路中反射光的影响，从而提高激光器的寿命以及整个光学系统的稳定性。在多波长链路的应用中，往往需要隔离器具有较大的带宽来实现多个波导的光隔离功能。然而，目前基于马赫-曾德尔干涉仪（MZI，Mach–Zehnder interferometer）构型所制备的片上磁光隔离器的带宽仍在数纳米范围，难以满足相关宽带链路多波长复用的应用。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供片上集成磁光隔离器。

第一方面，本申请实施例提供了一种片上集成磁光隔离器，包括：

入射波导阵列，用于输入至少一个波长的光；

与所述入射波导阵列连接的磁光隔离器，用于实现光的正向传输反向隔离；所述磁光隔离器包括阵列波导光栅、磁光薄膜以及磁场施加装置；其中，所述磁光薄膜在所述阵列波导光栅表面，所述至少一个波长的光在所述阵列波导光栅中传播，所述磁场施加装置用于施加与所述阵列波导光栅的光传输方向垂直的磁场；

与所述磁光隔离器连接的出射波导阵列，用于输出所述所有入射波长的光。

在其中一个实施例中，所述阵列波导光栅包括多根波导，通过在各所述波导上沉积或键合所述磁光薄膜形成多个磁光波导，各所述磁光波导的长度依次呈倍数递增；

所述磁场施加装置位于所述阵列波导光栅的两侧，施加与所述多个磁光波导的光传输方向垂直的磁场。

在其中一个实施例中，所述阵列波导光栅包括多根波导，所述磁光隔离器还包括透明薄膜，所述透明薄膜设置在所述阵列波导光栅表面，所述透明薄膜的折射率与所述磁光薄膜的折射率相同；

以所述阵列波导光栅的中心波导为对称轴，依次由内及外向各所述波导上沉积或键合所述磁光薄膜形成多个磁光波导，各所述磁光薄膜的长度以所述中心波导为对称轴依次呈倍数递增，并由内及外向各所述波导上沉积或键合所述透明薄膜，各所述透明薄膜的长度以所述中心波导为对称轴依次呈倍数递减，各所述波导上的所述磁光薄膜和所述透明薄膜的总长度相等；

所述磁场施加装置位于所述阵列波导光栅的中心，以所述中心波导为对称轴向外施加与所述多个磁光波导的光传输方向垂直的两个磁场。

在其中一个实施例中，所述磁光隔离器还包括第一自由传输区域单元以及第二自由传输区域单元，所述至少一个波长的光由所述入射波导阵列输入，经所述第一自由传输区域单元传输后分成多束光进入所述阵列波导光栅中，经传输一段距离后，进入所述第二自由传输区域单元传输后从所述出射波导阵列输出。

在其中一个实施例中，所述阵列波导光栅中各波导的长度满足固定的长度差。

在其中一个实施例中，所述磁光薄膜包括但不限于稀土掺杂的钇铁石榴石。

在其中一个实施例中，所述透明薄膜为光在磁光隔离器工作波段损耗低于预设值的材料，包括但不限于掺杂的氮化硅、硫系玻璃、聚合物高分子。

在其中一个实施例中，所述磁场施加装置包括但不限于永磁体、带电线圈。

在其中一个实施例中，所述磁光隔离器还包括分光装置，所述分光装置用于将入射光分为多个波长的光；其中，所述分光装置的输入端用于接收所述入射光，所述分光装置的输出端与所述入射波导阵列连接，用于向所述入射波导阵列输出所述多个波长的光。

上述片上集成磁光隔离器，片上集成磁光隔离器包括：入射波导阵列，用于输入至少一个波长的光；与所述入射波导阵列连接的磁光隔离器，用于实现光的正向传输反向隔离；所述磁光隔离器包括阵列波导光栅、磁光薄膜以及磁场施加装置；其中，所述磁光薄膜在所述阵列波导光栅表面，所述至少一个波长的光在所述阵列波导光栅中传播，所述磁场施加装置用于施加与所述阵列波导光栅的光传输方向垂直的磁场；与所述磁光隔离器连接的出射波导阵列，用于输出所述至少一个波长的光，具有对光波的正向传输，反向隔离的功能，据本申请的片上集成磁光隔离器能够满足波长范围高达百纳米的应用，提高光的隔离效果，从而实现对激光器的保护作用。

本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是一个实施例中片上集成磁光隔离器的应用环境示意图；

图2是一个实施例中片上集成磁光隔离器的示意图；

图3是另一个实施例中片上集成磁光隔离器的结构示意图；

图4是另一个实施例中片上集成磁光隔离器的结构示意图；

图5是另一个实施例中片上集成磁光隔离器的结构示意图；

图6是一个实施例中的磁光隔离器的磁光波导侧视图；

图7是一个实施例中片上集成磁光隔离器的非互易相移相位量与插入损耗以及隔离度的关系图；

图8是一个实施例中片上集成单波长磁光隔离器正反向传输曲线；

图9是一个实施例中片上集成四波长磁光隔离器正反向传输曲线；

图10是另一个实施例中片上集成磁光隔离器的结构示意图。

其中，102、激光器；104、光隔离器；106、探测器；20、入射波导阵列；30、磁光隔离器；40、出射波导阵列；31、阵列波导光栅；32、磁场施加装置；50、分光装置。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块（单元）的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。

本申请提供的片上集成磁光隔离器，可以应用于如图1所示的多波长链路应用环境中。该多波长链路主要包含三个部分，第一部分由半导体激光器102阵列排布而成，激光器102阵列输出波长分别为λ₁、λ₂…，λ_N的N个不同波长的光，光经片上耦合结构耦合进硅光芯片中；第二部分为光隔离器104，N个不同波长的光经光隔离器104一端输入后，汇聚成单通道输出传输至探测器106。

本申请实施例提供了一种片上集成磁光隔离器，如图2所示，所述片上集成磁光隔离器沿光传输方向依次包括：入射波导阵列20、磁光隔离器30、出射波导阵列40。

入射波导阵列20用于输入至少一个波长的光；与所述入射波导阵列20连接的磁光隔离器30用于实现光的正向传输反向隔离；所述磁光隔离器30包括阵列波导光栅31、磁光薄膜以及磁场施加装置32；其中，所述磁光薄膜在所述阵列波导光栅31表面，所述至少一个波长的光在所述阵列波导光栅31中传播，所述磁场施加装置32用于施加与所述阵列波导光栅31的光传输方向垂直的磁场；与所述磁光隔离器30连接的出射波导阵列40用于输出所述至少一个波长的光。

其中，所述入射波导阵列20由一根或N根波导及包覆层组成，其结构应满足支持光的单模传输的条件，所述出射波导阵列40由一根或N根波导及包覆层组成，其结构应满足支持光的单模传输的条件。所述入射波导阵列20和所述出射波导阵列40的波导芯层材料相同，包覆层材料相同，波导数量和几何尺寸可以相同或不同，且所述波导芯层的材料折射率大于所述包覆层的材料的折射率。

本申请实施例中的磁光隔离器，实现对光波的正向传输，反向隔离的功能，从而实现对激光器的保护作用。与相关的片上磁光隔离器相比，能解决目前片上集成光隔离器应用带宽窄的缺点，本申请的磁光隔离器可满足多波长的应用场景，如波分复用系统中的多通道传输技术，可将其应用带宽扩展至百纳米范围内，能够满足波长范围高达百纳米的链路应用，在波分复用系统链路中具有较广阔的应用前景。

在其中一个实施例中，所述阵列波导光栅包括多根波导，通过在各所述波导上沉积或键合所述磁光薄膜形成多个磁光波导，各所述磁光波导的长度依次呈倍数递增；所述磁场施加装置位于所述阵列波导光栅的两侧，施加与所述多个磁光波导的光传输方向垂直的磁场。

具体的，所述磁光波导由波导及位于波导之上的磁光薄膜构成，磁光薄膜与波导之间可以直接接触或存在一定的厚度的介质层，介质层厚度应越薄越好。如图3所示，阵列波导光栅包括m根波导，在阵列波导光栅的中心区域，在波导的上方沉积/键合一定厚度的磁光薄膜材料，并按照一定的长度进行分布排列，磁光波导长度由下至上呈倍数递增，如所需的最短磁光波导长度为L1，则由下至上的m根磁光波导的长度分别为L1、2×L1、3×L1…m×L1，在外部单向磁场的作用下，实现对光波的正向传输，反向隔离的功能。

在其中一个实施例中，所述阵列波导光栅包括多根波导，所述磁光隔离器还包括透明薄膜，所述透明薄膜设置在所述阵列波导光栅表面，所述透明薄膜的折射率与所述磁光薄膜的折射率相同。

磁光薄膜材料在阵列波导光栅区域的分布情况如图4所示，所述阵列波导光栅由m根波导组成，以所述阵列波导光栅的中心波导为对称轴，依次由内及外向各所述波导上沉积或键合所述磁光薄膜形成多个磁光波导，各所述磁光薄膜的长度以所述中心波导为对称轴依次呈倍数递增，并由内及外向各所述波导上沉积或键合所述透明薄膜形成折射率匹配区域，各所述透明薄膜的长度以所述中心波导为对称轴依次呈倍数递减，各所述波导上的所述磁光薄膜和所述透明薄膜的总长度相等。所述磁场施加装置位于所述阵列波导光栅的中心，以所述中心波导为对称轴向上和向下施加与所述多个磁光波导的光传输方向垂直的两个磁场。

具体的，中心阵列波导上无磁光薄膜材料，中心阵列波导两侧的磁光波导长度为L2，依次由内及外的磁光波导长度分别为L2、2×L2、3×L2…(m-1)/2×L2。为了实现阵列波导相位差为整数倍的条件，需额外引入一种材料，该材料应与磁光薄膜材料具有相同的折射率。每根阵列波导中，折射率匹配区域的长度应与磁光波导长度互补。在外加推挽式（push-pull）磁场的作用下，实现对光波的正向传输，反向隔离的功能。

在一些实施例中，透明薄膜材料的折射率与磁光薄膜材料相等或接近。磁光波导与折射率匹配波导的有效折射率应相等或接近，可通过改变透明薄膜材料的折射率或尺寸，如改变透明薄膜材料的厚度等实现两者间有效折射率的匹配。

在其中一个实施例中，为了简化施加磁场的方向，磁光波导与折射率匹配区域的分布也可按照图5所示，所述磁场施加装置位于所述阵列波导光栅的两侧，施加一个与所述多个磁光波导的光传输方向垂直的磁场。

图3至图5示出N个入射端口和1个出射端口的情况。图3至图5中，当无外加磁场时，阵列波导1、2…m间的相位差为Δφ；当施加一个正向磁场时，阵列波导1、2…m间的相位差为Δφ-Δφmo；当施加一个反向磁场时，阵列波导1、2…m间的相位差为Δφ+Δφmo；或者说，在固定磁场方向下，正向传输（即当光从入射端口输入，出射端口输出）时，阵列波导1、2…m间的相位差为Δφ-Δφmo；反向传输（即当光从出射端口输入，入射端口输出）时，阵列波导1、2…m间的相位差为Δφ+Δφmo。

图6示出磁光波导侧视图，外加磁场方向与光波导传输方向垂直。当光沿着+z方向传输时，磁光波导的传播常数记为βf；当光沿着-z方向传输时，磁光波导的传播常数记为βb；两者传播常数差记为NRPS，计算公式如下：

其中，β为传播常数；ω为光频率；ε₀为真空介电常数；S为光传播方向（z方向）的能流；γ为磁光材料介电常数张量的非对角元；n ₀为磁光材料的折射率；H _x为光场中磁场的水平方向分量；为竖直方向的偏微分。

在其中一个实施例中，所述阵列波导光栅中各波导的长度满足固定的长度差以满足固定的相位差。

在其中一个实施例中，所述透明薄膜为光在磁光隔离器工作波段损耗低于预设值材料，包括但不限于掺杂的氮化硅、硫系玻璃、聚合物高分子。

在其中一个实施例中，所述入射波导阵列由一根或多根波导及包覆层组成，以及所述出射波导阵列由一根或多根波导及包覆层组成。波导的材料可以是但不限于硅、氮化硅、锗、铌酸锂、硫系玻璃或其他组合等，包覆层的材料可以是但不限于二氧化硅、氮化硅、高分子聚合物或其他组合，只需满足波导材料的折射率大于包覆层材料折射率即可，磁光薄膜材料是稀土掺杂的钇铁石榴石，透明薄膜材料可以是掺杂的各类在中红外波段损耗低于预设值、且与磁光薄膜材料折射率相匹配的材料即可，如掺杂的氮化硅，硫系玻璃等。在一些实施例中，波导的材料是氮化硅，包覆层的材料是二氧化硅。波导的类型不受特别限制，可以采用任何合适的类型，作为非限制性示例，波导可以是矩形波导、脊型波导等。

在其中一个实施例中，所述磁场施加装置包括但不限于永磁体、带电线圈。外加磁场可以由永磁体提供，也可由集成于光芯片上的通电导线来产生感应的磁场来实现，磁场需将磁光薄膜材料在面内磁化到饱和状态。

图7提供了本申请的实施例的片上集成单波长磁光隔离器的示例型仿真结果。以C波段应用为例，氮化硅波导的宽度为1000nm并且厚度为400nm，所述第一自由传输区域和所述第二自由传输区域为共焦构型（Confocal configuration）或罗兰圆构型（Rowlandconfiguration），第一自由传输区域或第二自由传输区域（Free Propagation region，FPR）的长度为20.9μm，阵列波导数目m=11。图7示出了该单波长磁光隔离器器件的非互易相移相位量（横坐标）与插入损耗（纵坐标左轴）以及隔离度（纵坐标右轴）关系图。器件插损与随着非互易相移量的增加呈线性增大的趋势，器件消光比随着非互易相移量的增加而增大，当相移量达到约60°时趋于稳定值。器件插损主要来自于磁光薄膜材料在近红外波段的吸收损耗。仿真中磁光薄膜材料为掺铈钇铁石榴石（Ce-substitutedYttrium IronGarnets，Ce:YIG），其在波长为1550nm处的磁光法拉第旋转角为5900°/cm，光学损耗为137dB/cm。图7显示了当消光比为30dB时，所需的非互易相移量为50°，此时器件的总体插损为2dB。

图8提供了本申请实施例的片上集成单波长磁光隔离器的正向传输曲线和反向传输曲线，在波长为1551nm时，该器件正向传输时的透过率为-1.98dB,反向传输时的透过率为-31.1dB，从而实现光的正向通过，反向隔离的作用。

图9提供了本申请的实施例的片上集成多波长磁光隔离器的示例性仿真结果。以C波段应用为例，波长分别为λ1=1512nm，λ2=1532nm，λ3=1552nm，λ4=1572nm，正向传输时的透过率分别为-3.4dB，-1.1dB，-1.3dB，-3.3dB，反向传输时的透过率为-12.0dB，-9.6dB，-8.7dB，-3.3dB，从而实现多波长情况下的光的正向通过，反向隔离的作用。此处的插损和消光比并不代表器件最终的性能，消光比的提高及插损的不均匀性可以通过进一步优化磁光隔离器中阵列波导的数目、FPR的长度、阵列波导间距等参数，图8和图9仅以阵列波导数m=11为实施例进行说明。

在其中一个实施例中，如图10所示，所述磁光隔离器还包括分光装置50，所述分光装置50用于将入射光分为多个波长的光；其中，所述分光装置50的输入端用于接收所述入射光，所述分光装置50的输出端与所述入射波导阵列20连接，用于向所述入射波导阵列20输出所述多个波长的光。

本申请的片上集成磁光隔离器，可搭配分光装置50使用，组成单输入波导的宽带磁光隔离器，图10仅示出了一种分光装置50的结构，本申请的分光装置50包括但不限于阵列波导光栅、阶梯光栅等结构。分光装置50中的波导数n可以与片上集成磁光隔离器的波导数m相同或不同。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种片上集成磁光隔离器，用于实现光的正向传输反向隔离，其特征在于：

所述磁光隔离器包括阵列波导光栅、磁光薄膜以及磁场施加装置；其中，所述磁光薄膜在所述阵列波导光栅表面，至少一个波长的光在所述阵列波导光栅中传播，所述磁场施加装置用于施加与所述阵列波导光栅的光传输方向垂直的磁场；

所述磁光隔离器连接入射波导阵列，所述入射波导阵列用于输入至少一个波长的光；所述磁光隔离器还连接出射波导阵列，所述出射波导阵列用于输出所述至少一个波长的光；

所述阵列波导光栅包括多根波导，通过在各所述波导上沉积或键合所述磁光薄膜形成多个磁光波导，各所述磁光波导的长度依次呈倍数递增。

2.根据权利要求1所述的片上集成磁光隔离器，其特征在于，所述磁场施加装置位于所述阵列波导光栅的两侧，施加与所述多个磁光波导的光传输方向垂直的磁场。

3.根据权利要求1所述的片上集成磁光隔离器，其特征在于，所述阵列波导光栅包括多根波导，所述磁光隔离器还包括透明薄膜，所述透明薄膜设置在所述阵列波导光栅表面，所述透明薄膜的折射率与所述磁光薄膜的折射率相同；

4.根据权利要求1所述的片上集成磁光隔离器，其特征在于，所述阵列波导光栅包括多根波导，所述磁光隔离器还包括透明薄膜，所述透明薄膜设置在所述阵列波导光栅表面，所述透明薄膜的折射率与所述磁光薄膜的折射率相同；

5.根据权利要求1所述的片上集成磁光隔离器，其特征在于，所述磁光隔离器还包括第一自由传输区域单元以及第二自由传输区域单元，所述至少一个波长的光由所述入射波导阵列输入，经所述第一自由传输区域单元传输后分成多束光进入所述阵列波导光栅中，经传输一段距离后，进入所述第二自由传输区域单元传输后从所述出射波导阵列输出。

6.根据权利要求1所述的片上集成磁光隔离器，其特征在于，所述阵列波导光栅中各波导的长度满足固定的长度差。

7.根据权利要求1所述的片上集成磁光隔离器，其特征在于，所述磁光薄膜包括稀土掺杂的钇铁石榴石。

8.根据权利要求3或权利要求4所述的片上集成磁光隔离器，其特征在于，所述透明薄膜为光在磁光隔离器工作波段损耗低于预设值的材料，包括氮化硅、硫系玻璃、聚合物高分子。

9.根据权利要求1所述的片上集成磁光隔离器，其特征在于，所述磁场施加装置包括永磁体、带电线圈。

10.根据权利要求1至权利要求7或权利要求9任一项所述的片上集成磁光隔离器，其特征在于，所述磁光隔离器还包括分光装置，所述分光装置用于将入射光分为多个波长的光；其中，所述分光装置的输入端用于接收所述入射光，所述分光装置的输出端与所述入射波导阵列连接，用于向所述入射波导阵列输出所述多个波长的光。