近日，电子科技大学国家电磁辐射控制材料工程技术研究中心毕磊教授与美国麻省理工学院Caroline A. Ross教授、胡崛隽教授团队，以及加州大学圣巴巴拉分校John E. Bowers团队合作，在硅基光隔离器的研究中取得重大进展。该工作基于硅基集成磁光氧化物薄膜和磁光非互易移相效应Mach-Zehnder干涉器（MZI）结构，实现了首个单片集成宽带硅基光隔离器的制备。研究成果以“Monolithic integration of broadband optical isolators for polarization-diverse silicon photonics”为题发表在4月12日的《Optica》期刊上。

       集成光隔离器一直是光子集成电路中的一个长期挑战，该器件能实现光路的单向传输，从而保护激光光源以及消除光路中信号的串扰。理想的光隔离器应具备单片集成、小尺寸、高带宽、偏振无关性以及与半导体兼容性等优点，而基于磁光效应的无源器件是最有吸引力的解决方案之一。目前商用的分立器件均是基于磁光法拉第效应实现光的隔离，在集成光隔离器中，基于非互易相移的MZI型磁光隔离器引起广泛关注。其中，最主要的挑战，来自于材料沉积技术和半导体工业制备工艺的集成。片上集成的磁光隔离器由于材料集成难而一直没有得到很好的发展。在近红外通信波段，钇铁石榴石（YIG）具有高法拉第旋转角，低光学损耗，因此被广泛用于磁光隔离器中。然而，生长单晶YIG只能发生在外延基底GGG上，由于YIG与Si的晶格常数相差2倍以上，这使得难以在Si等半导体基片上外延生长YIG。此外，YIG与Si的热膨胀系数也相差很大，在沉积过程中，过大的热应力也会引起薄膜的裂纹和光学损耗。

       研究者们发明了两种集成的办法来解决以上问题：一是晶圆键合技术，在该方法中，首先在GGG衬底上长出高质量的单晶Ce:YIG薄膜，再通过键合等方法将磁光薄膜粘贴在器件表面。这项技术的优点是能制备出高旋光度低损耗的Ce:YIG薄膜，这有助于降低器件的插入损耗。然而此项技术需要高精度的对准，并且粘合技术复杂，不利于大规模生产。二是单片生长技术，与片上转移法不同的是，该法直接在Si衬底上生长薄膜，这将大大的提高产量和集成度。而此法的缺点，则在于由于晶格不匹配造成薄膜难以制备较厚的薄膜，并且为多晶态，这样会使得Ce:YIG的旋光与单晶相比偏低。同时，由于晶粒的不均匀性也会增加材料的吸收和散射造成更高的损耗。

       针对上述问题，本研究采用氧空位稳定Ce³⁺离子价态、提高固溶度、采用两步沉积方法获得纯相磁光材料，显著提高了材料的法拉第旋光、降低了光学损耗，使多晶薄膜性能接近外延单晶薄膜水平。在器件设计和制备工艺方面，基于MZI结构，通过直接在硅波导表面上沉积高品质Ce:YIG薄膜，实现了单片集成TM模式磁光隔离器（图一）；同时，通过在硅波导的侧壁沉积Ce:YIG薄膜，首次制备出基于TE模式的单片集成宽带磁光隔离器。此外，通过相同工艺，首次研制了基于SiN波导的TE偏振磁光隔离器，证明了此工艺对多平台的兼容性。该工作报道的硅基单片集成光隔离器隔离度达到30 dB，插损为5 dB，为目前硅光隔离器报道的最高水平，尺寸在宽带器件中也是最小的，被期刊评委评价为“波导集成光隔离器领域的里程碑”。

图1：(a)TM/TE磁光隔离器示意图；（b,c）TE模式、TM模式隔离器磁光波导截面示意图(d,e)TE、TM模式数值仿真的模场分布图,其中（d）为TE模式的E_x场 (e)为TM模式的H_y场。

图2：光隔离器光显和SEM图(a,c)TM、TE模式光隔离器光学显微镜图，标尺为100 mm。

(b,d)TM、TE模式光隔离器磁光波导段截面SEM图。

图3：磁光隔离器的正反向传输曲线（a）TM模式（b）TE模式（c）TM模式（d）TE模式的磁光隔离器的隔离度及插损。

图4：SiN基磁光微环谐振器 （a）光学显微镜图谱。（b）磁光波导截面扫描电镜图谱。（c）正反向传输曲线。（d）多次测量的正反向传输曲线的峰值波长。

来源： 两江科技评论