新的芯片级激光隔离器开辟了光子学的新研究途径

激光是变革性的设备，但一项技术挑战阻止了它们的发展。它们发出的光可以反射回激光器本身并使其不稳定甚至失效。在现实世界中，这一挑战可以通过使用磁性来阻挡有害反射的笨重设备来解决。然而，在芯片级，工程师们希望激光有朝一日能改变计算机电路，但事实证明，有效的隔离器难以实现。

在此背景下，斯坦福大学的研究人员表示，他们已经创造出一种简单有效的芯片级隔离器，可以将其放置在比一张纸薄数百倍的半导体材料层中。

“芯片级隔离是光子学领域面临的巨大挑战之一，”斯坦福大学电气工程教授、12月1日发表在《自然光子学》(NaturePhotonics)杂志上的该研究的资深作者JelenaVučković说。

Vučković实验室的博士候选人、该论文的共同第一作者亚历山大·怀特说：“每个激光器都需要一个隔离器来阻止背向反射进入并破坏激光器的稳定性”，并补充说该设备对日常计算有影响，但可能还影响下一代技术，如量子计算。

小而被动

出于几个原因，纳米级隔离器很有前途。首先，这个隔离器是“被动的”。它不需要外部输入、复杂的电子设备或磁性元件——迄今为止阻碍芯片级激光器进步的技术挑战。这些额外的机制导致设备对于集成光子学应用而言过于庞大，并且可能导致电子干扰，从而损害芯片上的其他组件。

另一个优势是，新型隔离器也由常见且众所周知的半导体材料制成，可以使用现有的半导体加工技术制造，有可能简化其大规模生产的道路。

新隔离器的形状像一个环。它由氮化硅制成，氮化硅是一种基于最常用的半导体——硅的材料。强初级激光束进入环，光子开始沿顺时针方向绕环旋转。与此同时，背向反射光束将以逆时针方向旋转，以相反的方向被送回环中。

“我们输入的激光功率循环了很多次，这使我们能够在环内积累。这种增加的功率会改变较弱的光束，而较强的光束则不会受到影响，”共同第一作者、博士研究生GeunHoAhn解释道在电气工程中导致较弱光束停止共振的现象。“反射光，而且只有反射光，被有效地抵消了。”

然后主激光器离开环并在所需方向上“隔离”。

Vučković和团队已经构建了一个原型作为概念验证，并且能够将两个环形隔离器串联起来以获得更好的性能。

“接下来的步骤包括研究不同频率光的隔离器，”共同作者、Vučković实验室的博士后学者KasperVanGasse说。“以及在芯片级更紧密地集成组件，以探索隔离器的其他用途并提高性能。”