asian18gay男同志69,亚洲Av无码乱码在线观看浪潮,国产VIVODESHD精品

據(jù)悉，斯坦福大學(xué)的研究人員表示,他們已經(jīng)發(fā)明了一種簡單有效的芯片級隔離器，可以鋪在比一張紙薄數(shù)百倍的半導(dǎo)體材料層中。

激光是一種變革性的技術(shù)工具，但一項技術(shù)挑戰(zhàn)阻止了它們的變革性。它們發(fā)出的光可以反射回激光器本身，使激光器不穩(wěn)定甚至失效。

在實際中，這一挑戰(zhàn)可以通過使用磁性來阻擋有害反射的笨重設(shè)備來解決。然而，在芯片規(guī)模上，工程師們希望激光有朝一日能改寫計算機電路。

在這種背景下，斯坦福大學(xué)的研究人員表示，他們已經(jīng)發(fā)明了一種簡單有效的芯片級隔離器，可以鋪在比一張紙薄數(shù)百倍的半導(dǎo)體材料層中。

“芯片級別的隔離是光子學(xué)中最大的公開挑戰(zhàn)之一，”斯坦福大學(xué)電氣工程教授、該研究的資深作者耶琳娜·烏科維奇(Jelena vuykovovic)說，該研究本月發(fā)表在《自然光子學(xué)》(Nature photonics)上。

“每束激光都需要一個隔離器來阻止反向反射進入激光并使其不穩(wěn)定，”Vu?kovi?實驗室的博士候選人、該論文的共同第一作者Alexander White評論道，他補充說，該設(shè)備對日常計算有影響，但也可能影響下一代技術(shù)，如量子計算。

從左起，Alexander White, Geun Ho Ahn, and Jelena Vu?kovi?與納米級隔離器。

小而被動

納米級隔離器很有前景，原因有幾個。首先，這個隔離器是“被動的”。它不需要外部輸入，不需要復(fù)雜的電子器件，也不需要磁性元件——迄今為止阻礙芯片級激光器發(fā)展的技術(shù)挑戰(zhàn)。

這些額外的機制導(dǎo)致器件對于集成光子學(xué)應(yīng)用來說過于笨重，并可能導(dǎo)致?lián)p害芯片上其他組件的電干擾。

另一個優(yōu)點是，新的隔離器也是由常見的和眾所周知的半導(dǎo)體材料制成，可以使用現(xiàn)有的半導(dǎo)體加工技術(shù)制造，這可能會簡化其大規(guī)模生產(chǎn)的道路。

新的隔離器的形狀像一個環(huán)。它是由氮化硅制成的，氮化硅是一種基于最常用的半導(dǎo)體硅的材料。強的初級激光束進入環(huán)，光子開始順時針方向繞環(huán)旋轉(zhuǎn)。與此同時，反向反射的光束將以相反的方向被送回環(huán)中，以逆時針方向旋轉(zhuǎn)。

“我們放入的激光能量循環(huán)了很多次，這使我們能夠在環(huán)內(nèi)建立。這種不斷增加的功率改變了較弱的光束，而較強的光束繼續(xù)不受影響，”共同第一作者Geun Ho Ahn說，他是研究較弱的光束停止共振的電氣工程博士研究生?！胺瓷涔?，而且只有反射光被有效地抵消了?！?/p>

然后初級激光退出環(huán)，并在所需的方向上被“隔離”。Vu?kovi?和他的團隊已經(jīng)建立了一個原型作為概念證明，并能夠?qū)蓚€環(huán)形隔離器級聯(lián)起來以實現(xiàn)更好的性能。

芯片級隔離器的特寫。

Nature Photonics發(fā)表——芯片級無源光隔離器

摘要：光纖和體光隔離器被廣泛應(yīng)用于通過防止不必要的反饋來穩(wěn)定激光腔。然而，它們的綜合對應(yīng)物被采用的速度很慢。雖然已經(jīng)實現(xiàn)了幾種片上光學(xué)隔離策略，但這些策略依賴于磁光材料的集成或聲光或電光調(diào)制器的高頻調(diào)制。在這里，我們展示了一種利用環(huán)形諧振腔內(nèi)本質(zhì)非互易的克爾非線性來被動隔離連續(xù)波激光器的集成方法。利用氮化硅作為模型平臺，我們實現(xiàn)了17-23 dB的單環(huán)隔離和1.8 - 5.5 dB的插入損耗，以及35 dB的級聯(lián)環(huán)隔離和5 dB的插入損耗。利用這些器件，我們演示了半導(dǎo)體激光芯片的混合集成和隔離。

主要

近年來，在芯片上集成高性能光學(xué)系統(tǒng)的工作取得了巨大的進展。超低損耗光子平臺、非線性光子學(xué)和異質(zhì)材料集成的進步已經(jīng)實現(xiàn)了完全集成的交鑰匙頻率梳源、具有赫茲線寬的片上激光器、每秒太比特(Tbps)的片上通信、片上光學(xué)放大器等等。雖然這些系統(tǒng)將繼續(xù)改進，但缺乏集成光學(xué)隔離限制了它們的性能。

光隔離器允許光在一個方向上傳輸，同時防止在另一個方向上傳輸。這種非互反行為在光學(xué)系統(tǒng)中至關(guān)重要，可以通過防止不必要的反向反射來穩(wěn)定激光和降低噪聲。在傳統(tǒng)的光纖和體光學(xué)系統(tǒng)中，非互反傳輸是通過使用法拉第效應(yīng)誘導(dǎo)的非互反偏振旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的。通過將磁光材料集成到波導(dǎo)中，這種方法可以在芯片上復(fù)制。然而，由于所需的定制材料制造和缺乏互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)兼容性，該方法的可擴展性仍然是一個重大挑戰(zhàn)。此外，由于磁光材料在可見到近紅外(NIR)波長范圍內(nèi)的微弱作用，它們需要非常強的磁鐵才能運行，因此很難在集成平臺上運行。

最近，在集成無磁隔離器方面取得了顯著進展，使用主動驅(qū)動來打破相互作用。這種驅(qū)動采用了合成磁鐵、受激布里淵散射和時空調(diào)制的形式。然而，對外部驅(qū)動器的要求增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，通常需要額外的制造，并消耗功率。此外，大功率射頻驅(qū)動器產(chǎn)生大量的電磁背景，會干擾光子集成電路中的敏感電子器件和光電檢測。這對這種設(shè)備的可伸縮性和采用提出了不可避免的挑戰(zhàn)。因此，為了最大限度地提高可擴展性和集成到當(dāng)前的光子集成電路中，理想的隔離器應(yīng)該是完全無源和無磁的。

光學(xué)非線性是打破互易性的一種有前途的途徑，并且固有地存在于最廣泛應(yīng)用的光子平臺中，如氮化硅、硅、磷化鎵、鉭、碳化硅和鈮酸鋰。不幸的是，由于動態(tài)互易性，許多使用光學(xué)非線性的非互易傳輸建議不能作為隔離器。然而，通過仔細(xì)選擇操作模式，使用光學(xué)非線性進行隔離是可能的，并且已經(jīng)用離散組件進行了證明。

在這篇文章中，我們展示了集成連續(xù)波隔離器使用克爾效應(yīng)存在于薄膜氮化硅環(huán)形諧振器。克爾效應(yīng)打破了環(huán)的順時針和逆時針模式之間的簡并，并允許非互反傳輸。這些設(shè)備是完全無源的，除了被隔離的激光之外，不需要任何輸入。因此，唯一的功率開銷是環(huán)形諧振器耦合的小插入損耗。此外，許多將受益于隔離器的集成光學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)具有高質(zhì)量的氮化硅或相應(yīng)的組件，并且可以輕松地將這種類型的隔離器與CMOS兼容的制造集成。

通過改變環(huán)形諧振器的耦合，我們可以權(quán)衡插入損耗和隔離。作為兩個示例，我們演示了峰值隔離為23 dB、插入損耗為4.6 dB的器件和隔離為17 dB、插入損耗為1.3 dB、光功率為90mw的器件。由于我們使用集成光子學(xué)平臺，我們可以在同一芯片上重復(fù)制造和級聯(lián)多個隔離器，使我們能夠演示兩個級聯(lián)隔離器，整體隔離比為35 dB。最后，我們將半導(dǎo)體激光二極管芯片對接到氮化硅隔離器，并在芯片上演示了系統(tǒng)中的光學(xué)隔離。

工作原理

我們可以用同樣的原理來構(gòu)造一個隔離器。圖1a所示的設(shè)置。一個強泵浦(紅色)被發(fā)送通過環(huán)形諧振腔與簡并順時針和逆時針共振。該泵加熱環(huán)，導(dǎo)致折射率的熱光倒數(shù)增加和相應(yīng)的共振頻率下降。此外，環(huán)中的高功率導(dǎo)致順時針模式的SPM和逆時針模式的XPM。這使得逆時針模式的共振位移是順時針泵浦模式的兩倍?，F(xiàn)在的分裂共振允許在泵浦方向上的近乎統(tǒng)一的傳輸，但實質(zhì)上減少了在相反方向上的相同頻率的傳輸(藍色)。

圖1:工作原理。a、集成非線性光學(xué)隔離器的工作原理示意圖。圖顯示傳輸(T)與頻率(ω)。b，隔離器與驅(qū)動它的激光直接耦合的示意圖，僅存在激光(紅色)，僅存在不必要的后向傳輸(藍色)和具有后向傳輸?shù)募す狻．?dāng)激光打開時，后向傳輸不再共振，激光被隔離。c，氮化硅器件的圖像。比例尺，100 μm。d，理論(虛線)和實驗(藍色數(shù)據(jù)點)在不同輸入泵功率和最大泵失諧時的反向傳輸，說明了洛倫茲傳輸形狀。

這種隔離完全是通過環(huán)的內(nèi)在非互易性來實現(xiàn)的，因此不需要額外的功率來運行。關(guān)鍵是，該操作不受動態(tài)互易性的影響。當(dāng)backwards-propagating信號在頻率相同的泵,動態(tài)對等并不適用,當(dāng)一個信號以不同的頻率的泵,互惠但接近于零傳動。此外,重要的是要注意,這種隔離率適用不僅對backwards-propagating信號與權(quán)力泵相比非常小,但即使是相稱的向后信號和比泵。當(dāng)環(huán)內(nèi)已經(jīng)有泵浦功率循環(huán)時，反向波與腔體不共振。因此，消除模式分裂所需的輸入功率實際上比泵浦的功率高許多倍。

由于這種類型的隔離器需要連續(xù)的泵浦功率(可以是連續(xù)波泵浦，也可以是在環(huán)自由光譜范圍內(nèi)脈沖的泵浦)，但不需要額外的驅(qū)動或調(diào)制，因此它是直接隔離激光輸出的理想選擇(圖1b)。激光本身作為隔離的唯一驅(qū)動器，并且該設(shè)備不產(chǎn)生功耗，僅在穿越環(huán)時的插入損耗很小。不需要強磁場、有源光調(diào)制或大功率射頻驅(qū)動器，設(shè)備操作不局限于單個光子平臺或波長范圍。

設(shè)備集成與測量

為了測量這些設(shè)備的隔離性，我們使用圖2a所示的泵-探頭設(shè)置。由于泵浦和探頭來自同一激光器，因此它們具有相同的光學(xué)頻率。對于第一組測量，如圖2b,c所示，泵浦和探頭波長掃描環(huán)共振。在圖2d中，泵保持固定。我們通過環(huán)發(fā)送一個大功率泵，同時調(diào)制并向相反方向發(fā)送一個低功率探頭。然后我們掃描泵浦和探測共振和讀取反向傳輸使用鎖相放大器。在掃描過程中，泵熱拉環(huán)，直到環(huán)在共振峰值時解鎖。當(dāng)激光接近環(huán)的頻率時，更多的光功率耦合到共振中。由于一個小的線性材料吸收，這使環(huán)加熱，使共振遠離激光。這一直持續(xù)到激光頻率匹配共振，并最大限度地耦合到環(huán)。一旦激光失諧超過這一點，環(huán)中的功率就會開始下降，使環(huán)冷卻并坍縮到原來的共振位置。通過監(jiān)測諧振峰值處的探頭傳輸，我們可以獲得隔離的直接測量。此外，通過改變泵浦功率，我們可以測量功率相關(guān)的隔離(圖2b,c)。隨著泵浦功率的增加，峰值隔離被紅移，并按洛倫茲量縮放。我們發(fā)現(xiàn)，我們的測量結(jié)果(圖2b)與一個具有洛倫茲功率依賴隔離的熱拉環(huán)的簡單模型(圖2b，插圖)的預(yù)期傳輸之間非常一致。

圖2:隔離測量。a，表征非線性光學(xué)隔離器的測量裝置示意圖。EDFA，摻鉺光纖放大器;EOM，電光調(diào)制器。PC，偏振控制器;LO, 90千赫電子振蕩器。b，依賴泵功率的向后傳輸測量。插圖:理論泵功率依賴關(guān)系。插圖中的線條顏色與主面板中的顏色相對應(yīng)。c，相應(yīng)的理論(虛線)和實驗(藍色數(shù)據(jù)點)器件隔離。數(shù)據(jù)點顏色對應(yīng)于b. d中使用的顏色，隨著泵功率的增加(0 mW, 40 mW, 80 mW)脈沖向后傳輸測量。插圖顯示了虛線框中繪圖部分的放大圖。e，反向傳輸?shù)睦碚?虛線)和實驗(藍色數(shù)據(jù)點)頻率依賴關(guān)系。在這里，探頭被EOM分割成兩個邊帶，這種邊帶分離用頻率合成器進行掃頻。正如預(yù)期的那樣，向后頻率響應(yīng)與泵功率成比例地移位。

我們還用靜態(tài)泵頻驗證了隔離器的運行。環(huán)仍然鎖定在激光上，我們可以通過發(fā)送與泵浦頻率相同的光脈沖直接測量設(shè)備的向后傳輸(圖2d)。在這里，諧振器鎖定是通過調(diào)諧激光頻率來啟動的，但這也可以通過熱調(diào)諧環(huán)來實現(xiàn)。由于最大傳輸和隔離發(fā)生在共振的峰值，此時共振不再跟隨激光，鎖定可能會受到環(huán)境溫度變化的干擾。這可以通過環(huán)的熱穩(wěn)定來緩解。然而，巨大的熱拉量允許在激光失諧方面有足夠的開銷:對于這個在90 mw輸入功率下的器件，從解鎖點開始的1 ghz失諧只對應(yīng)于隔離降低0.3 db，插入損耗增加0.15 db。正因為如此，我們能夠在接近最大傳輸?shù)那闆r下工作，而不需要對光子隔離器芯片進行任何溫度控制，并在實驗期間保持穩(wěn)定鎖定。

最后，利用電光調(diào)制器(EOM)對探頭進行調(diào)制，測量隔振器的頻率響應(yīng)。這就產(chǎn)生了我們可以掃過共振的邊帶。由于只有紅移邊帶會與紅移后向共振共振，我們可以掃描邊帶頻率來繪制頻率響應(yīng)(圖2e)。

為了在實驗上探究這種權(quán)衡，我們制作了一個由16個不同耦合強度和耦合不對稱的空氣包層氮化硅隔離器組成的陣列(圖3b,c)。我們發(fā)現(xiàn)這些器件的內(nèi)在質(zhì)量因子約為500萬。正如預(yù)期的那樣，耦合越弱、越不對稱的器件具有更高的隔離性，但也有更高的插入損耗。我們重點介紹了其中兩種器件的性能——一種器件的插入損耗為1.8 db，隔離閾值為12.9 mW，另一種器件的插入損耗為5.5 db，隔離閾值為6.5 mW(圖3d)。這些器件在90 mW時分別顯示出16.6 dB和23.4 dB的峰值隔離。

圖3:性能優(yōu)化。a，隔離器環(huán)示意圖，說明關(guān)鍵參數(shù):κ1， κ2和γ -輸入耦合率，輸出耦合率和固有損耗率。b，熱圖顯示不同偶聯(lián)率下的插入損失和峰值隔離。色條限制由每個圖的最小值和最大值設(shè)定(白色:1.0 db插入損耗，3.3 db峰值隔離;深藍色:10.1 db插入損耗，23.4 db峰值隔離)。表現(xiàn)良好的參數(shù)用藍色、綠色和橙色圓圈突出顯示。c, b的隔離和插入損失的相關(guān)性d，三個突出顯示環(huán)的泵功率依賴隔離。

由于這些隔離器是集成的，并且可以具有低插入損耗，因此可以在同一芯片上制造和級聯(lián)多個器件，從而實現(xiàn)隔離的指數(shù)級增強(圖4a)。為了驗證這一點，我們制造了兩個環(huán)，第二個環(huán)與第一個環(huán)有輕微的紅失諧。這允許熱位移使兩個環(huán)發(fā)生共振并鎖定在那里。在給定的泵功率下，當(dāng)?shù)诙€環(huán)被單環(huán)插入損失乘以第一個環(huán)的熱牽拉(補充第8節(jié))紅失失調(diào)時，隔離最大化，整體插入損失最小化。為了表征級聯(lián)環(huán)的隔離，我們首先測量單個環(huán)的功率依賴性隔離(圖4c)，使用與圖2a相同的泵-探頭測量。然后，我們對兩個級聯(lián)環(huán)重復(fù)此測量，其中一個與第二個環(huán)略有紅失諧。這些結(jié)果如圖4d,e所示。級聯(lián)環(huán)的乘法效應(yīng)使我們能夠?qū)崿F(xiàn)35db的隔離，插入損耗為~ 5db。

圖4:隔離級聯(lián)。a，級聯(lián)隔離環(huán)示意圖。b，制造的級聯(lián)隔離環(huán)的光學(xué)顯微照片。比例尺，200 μm。c，理論(虛線)和實驗(藍色數(shù)據(jù)點)功率相關(guān)的單環(huán)隔離。d、級聯(lián)隔離環(huán)與110mw泵正向和反向傳輸。e，理論(虛線)和實驗(藍色數(shù)據(jù)點)級聯(lián)環(huán)的功率依賴隔離。理論擬合是通過將單個環(huán)的隔離比乘以從第一個環(huán)紅移的第二個環(huán)來計算的。測量從40mw開始，因為需要這么多的泵浦功率來重疊兩個環(huán)共振。

最后，我們使用分布式反饋(DFB)激光芯片演示隔離(圖5a)。為了最大化芯片上的泵浦功率，我們使用氧化物包層的倒錐來匹配激光的輸出模式，將DFB激光器耦合到芯片上。我們首先通過將DFB激光耦合到透鏡光纖并執(zhí)行泵浦探針測量來表征隔離，如圖2a所示。為了使DFB激光在環(huán)形共振中調(diào)諧，我們使用珀爾蒂爾器件和熱敏電阻進行反饋來調(diào)節(jié)其溫度。我們觀察到在65 mw輸入功率下，隔離度高達13.6 dB(圖5b)，由于Q因子的小幅降低，隔離度略低于以前。然后我們直接將DFB激光器和隔離器對接，并將環(huán)熱鎖定到激光上。為了驗證其隔離性，我們使用二次激光向后通過設(shè)備發(fā)送脈沖，并測量它們的傳輸(圖5c,d)。為了確保二次激光與DFB頻率相同，我們在光電二極管上混合激光輸出。

圖5:DFB混合積分。a, DFB激光器與隔離器混合集成的光學(xué)圖像。b，用放大DFB激光器測量的功率依賴隔離。藍色數(shù)據(jù)點表示測量結(jié)果，虛線表示理論擬合。c，混合集成dfb隔離器操作直接測量的實驗測量裝置示意圖。d，直接耦合DFB激光器開啟和關(guān)閉后向脈沖傳輸。

結(jié)論

我們已經(jīng)演示了利用完全被動的克爾效應(yīng)的片上光學(xué)隔離器。通過調(diào)整耦合參數(shù)，我們在插入損耗和隔離之間進行了權(quán)衡，演示了插入損耗僅為1.8 dB，隔離為17 dB的器件，單環(huán)隔離高達23 dB。由于這些隔離器的集成性質(zhì)，它們可以很容易地級聯(lián)以提高性能。通過級聯(lián)兩個環(huán)，我們實現(xiàn)了35db的隔離和5db的插入損耗。最后，我們演示了該器件用于隔離邊緣耦合DFB激光芯片的輸出。

由于這些設(shè)備是完全無源和無磁的，它們不需要外部驅(qū)動器，并且可以在不產(chǎn)生任何電磁干擾或磁場背景的情況下運行。盡管如此，它們的性能仍然與最先進的有源和磁性集成隔離器具有競爭力。此外，來自商業(yè)代工廠的更好控制的制造將允許更高的質(zhì)量因子，并實現(xiàn)兩個以上環(huán)的級聯(lián)，將20 dB隔離的功率閾值降低到2 mW以下，可實現(xiàn)的隔離超過70 dB。由于許多混合和異質(zhì)集成光學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)在克爾材料中包含高質(zhì)量的光子學(xué)，這種類型的隔離器可以立即納入最先進的集成光子學(xué)。

圖S1：a.線性濾波器寬帶隔離原理圖。紅色為泵，綠色為泵的反向傳播信號簡并，藍色為隔離器的反向諧振的反向傳播信號。b.系統(tǒng)頻率響應(yīng)。線性濾波器傳輸泵和阻擋光的傳輸，可以通過隔離器在XPM共振。c.通過設(shè)計線性濾波器，使其具有不是隔離器FSR倍數(shù)的FSR(自由光譜范圍)，可以實現(xiàn)超寬帶隔離。