近日，哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的一組研究人員開發(fā)了一種方法，他們打造了一個(gè)高效的集成隔離器，該隔離器可以無縫地集成到由鈮酸鋰制成的光學(xué)芯片中。他們的研究結(jié)果發(fā)表在《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）雜志上。據(jù)悉，SEAS開發(fā)的這種光隔離器可以在許多實(shí)際應(yīng)用中大大改善光學(xué)系統(tǒng)。

由四個(gè)不同調(diào)制長度的器件組成的薄膜鈮酸鋰電光隔離芯片的光學(xué)顯微照片。（圖片來源：Loncar Lab／Harvard SEAS）

所有用于電信、顯微鏡、成像、量子光子學(xué)等領(lǐng)域的光學(xué)系統(tǒng)，都依賴于激光來產(chǎn)生光子和光束。為了防止這些激光損壞和不穩(wěn)定，這些系統(tǒng)還需要隔離器（即防止光線向不希望的方向傳播的組件）。隔離器也有助于減少信號(hào)噪聲，防止光線不受限制地反彈。但是傳統(tǒng)的隔離器體積相對(duì)較大，并且需要多種材料連接在一起，因而要實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的性能并不容易。

領(lǐng)導(dǎo)上述團(tuán)隊(duì)的電氣工程師Marko Loncar指出，他們建造了一種裝置，可以讓激光發(fā)射的光不受改變地傳播，而反射回激光的反射光改變了顏色，并從激光中重新布線。他表示：“這是通過向反射光信號(hào)的方向發(fā)送電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的，從而利用了鈮酸鋰優(yōu)異的電光特性。在這種特性中，可以施加電壓來改變光信號(hào)的特性，包括速度和顏色。”

“我們想為激光創(chuàng)造一個(gè)更安全的工作環(huán)境，通過設(shè)計(jì)這條單行道，我們可以保護(hù)設(shè)備免受激光反射的影響，”該論文的第一作者之一、前朗卡爾實(shí)驗(yàn)室博士后研究員Mengjie Yu表示，“據(jù)我們所知，與所有其他集成隔離器的演示相比，該設(shè)備具有世界上最好的光學(xué)隔離性能。除了隔離之外，它在所有指標(biāo)上都具有最具競(jìng)爭(zhēng)力的性能，包括損耗、能效和可調(diào)性。”

這個(gè)設(shè)備的特殊之處在于，它的核心非常簡(jiǎn)單——它實(shí)際上只有一個(gè)調(diào)制器。之前所有類似的工程研究都需要多個(gè)諧振器和調(diào)制器，而他們之所以能做到這一點(diǎn)，則是因?yàn)殁壦徜嚤旧淼男再|(zhì)。

這種高性能和高效率表現(xiàn)，背后的另一個(gè)原因與設(shè)備的尺寸有關(guān)——該團(tuán)隊(duì)在哈佛的納米級(jí)系統(tǒng)中心制造了一個(gè)厚度為600納米的芯片，蝕刻（使用規(guī)定的納米結(jié)構(gòu)來引導(dǎo)光線）的深度達(dá)到320納米。

該平臺(tái)更小的尺寸和超低損耗特性也提高了其光功率。由于光不需要傳播那么遠(yuǎn)，所以衰減和功率損失更少。

該團(tuán)隊(duì)展示了該設(shè)備可以成功地保護(hù)芯片上的激光免受外部反射。據(jù)介紹，他們是首個(gè)在光隔離器的保護(hù)下展示激光相位穩(wěn)定運(yùn)行的團(tuán)隊(duì)。這一進(jìn)展代表了實(shí)用、高性能光學(xué)芯片的重大飛躍，它可以與一系列激光波長一起使用，只需要反向傳播的電信號(hào)就可以達(dá)到預(yù)期的效果。將光學(xué)系統(tǒng)的所有方面集成到單個(gè)芯片上，可以取代許多更大、更昂貴、效率更低的系統(tǒng)。