近日，斯坦福大學的研究人員表示，他們已經(jīng)發(fā)明了一種簡易、高效的芯片級光隔離器，能夠嵌入一層比紙張薄數(shù)百倍的半導體材料中。

圖1 芯片級光隔離器的特寫

“芯片級光隔離器一直是光子學領(lǐng)域有待解決的巨大難題之一?！彼固垢４髮W電子工程教授Jelena Vuckovic說，她同時也是此項12月1日發(fā)表在Nature Photonics上研究的主要作者。

“每個激光器都需要光隔離器來抑制背向反射進入激光器，造成激光器不穩(wěn)定?！?Vuckovic實驗室的博士候選人、本篇論文的共同第一作者Alexander White說。他補充道，這一設備能用于普通計算機中，甚至也能夠用于量子計算等新一代技術(shù)中。

這種納米級光隔離器具有應用前景，主要原因在于：首先，這種隔離器是被動作用，無需外部輸入，也無需復雜的電子或磁性裝置，而這正是此前一直阻礙芯片級激光器的原因所在——額外的裝置導致設備體積過大、無法用于集成光子學應用中，同時可能導致電流干擾，以致?lián)p害芯片上其他組件。

另一個優(yōu)點是，這種新型光隔離器是由常見、常用的半導體基材料制成，也能使用現(xiàn)有的半導體加工技術(shù)制造，未來可能較為簡單的就能用作大規(guī)模生產(chǎn)。

新型光隔離器的形狀類似圓環(huán)形，由氮化硅制成——一種基于最常用半導體硅的材料。強初級激光束進入圓環(huán)中，光子沿順時針方向繞環(huán)旋轉(zhuǎn)；與此同時，背向反射的光束會沿反時針方向旋轉(zhuǎn)重新送回圓環(huán)。

“輸入的激光能量循環(huán)了多次，在環(huán)內(nèi)逐漸增強。不斷增加的激光功率改變了較弱的光束，而較強的不受影響，”本文共同第一作者Geun Ho Ahn解釋說。他是電子工程的博士生，主要研究較弱光束停止諧振的原因?！捌渲袃H有反射光被有效地抵消了?！敝?，被成功“隔離”的初級激光從隔離器中出射。

Vuckovic及其團隊已制造了一臺光隔離器原型，并對其設計進行了驗證；同時還將兩個環(huán)形光隔離器級聯(lián)在一起，獲得了更好的性能。

“下一步包括研究用于不同頻率的光隔離器，” Vuckovic實驗室的博士后學者Kasper Van Gasse說。“以及在芯片規(guī)模上更緊密地集成組件，以探索隔離器的其他用途，并提高性能?！?/p>