片上集成高带宽光隔离器的实现方法

本发明涉及光通信和光计算，特别是一种片上集成高带宽光隔离器的实现方法。

背景技术：

1、光隔离器是复杂光学系统不可或缺的重要器件之一。在大型光通信系统中，光隔离器以磁光材料构成，隔离系统反射光以达到保护光源稳定的目的。然而，伴随着下一代光通信系统向小型化、集成化方向的发展需求，以及ai时代迸发的超快光计算系统的发展需要，使得人们对能够大规模片上集成的高带宽光隔离器的需求越来越强烈。

2、目前存在三种能够用以实现集成光隔离器的潜在方案：

3、1、磁光材料集成：该方案虽然具有节能的优点，但是磁光材料与现有cmos工艺不兼容，难以实现高度集成。此外，在实现光隔离效果时，磁光材料还需要施加外部磁场才能获得旋光效果。这些缺点阻碍了集成光隔离器的磁光方案的实现。

4、2、利用非线性效应：这种方案可以实现部分光传播的非互易效果，但是其隔离效果依赖于光信号强度，降低了适用性。另外，为了提升非线性效应，部分非线性光隔离器设计还采用了谐振结构，由此又降低了隔离器的工作带宽。

5、3、利用折射率的时空调制：这种方案利用材料的电光效应或声光效应，在光波导结构上实施时空调制。在波导结构上形成单向传播的调制波以破坏时间反演对称性，达到光隔离的目的。这种方案不仅在现有cmos工艺下的半导体平台上，而且在其他材料，如铌酸锂薄膜平台上也易于实现。然而，在已经报道的研究中，时空调制被局限于诱导光波导两个不同对称性的传播模式间的单一方向耦合。这种导模间的单方向耦合受限于波导的能带结构。完全耦合所需的相位匹配条件仅可在两个模式间完美实现，不能达到高带宽的高隔离效果。另外，其时间调制频率需要满足导带模式间的频率差，较高的调制频率也提高了实施成本。最后，该方案还需要额外的滤波结构消除被转换的信号。

6、申请号为201310360194.1中国发明专利公开了一种mach-zehder干涉仪结构的硅基光隔离器，其时空调制被用来耦合波导的两个不同对称性的传播模式，存在以下问题：1、耦合受限于波导传播模式能带间的相位匹配条件，不能做到大带宽上的高度隔离；2、调制频率必须达到两个传播模式的频率差，较高的调制频率提高了实施难度；3、在单方向耦合结束后，还必须采用某种滤波结构将耦合后的光信号消除，才能达到光隔离效果。特别的，mach-zehder干涉仪结构即为一种滤波结构，其需要在干涉仪两臂上实施相位相反的两套时空调制；不仅结构复杂，而且实施成本高昂。

7、由此，提出一种兼容于现有cmos工艺，能够在半导体或其他光学材料平台上(如铌酸锂)大规模集成的，且具有低功耗和高带宽的光隔离实现方案势在必行。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种片上集成高带宽光隔离器的实现方法，本发明在硅基或铌酸锂材料构成的条形以及脊形波导上，以在单一传播方向上将波导偶对称导模和奇对称散射模耦合为目的，实施波导折射率的时空调制；在态耦合过程实施对称性保护以消除边带；作为集成光隔离器实现方法，其还具有调制频率低、无需额外滤波结构的优点。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种片上集成高带宽光隔离器的实现方法，包括：

3、在波导上实施基于电光或声光效应产生的折射率时空调制，所述的折射率时空调制包括：在单一传播方向上，将波导偶对称导模耦合至奇对称散射模，从而产生散射，以及当波导中光信号沿相反方向传播时，不产生散射；即在一个传播方向上将传播的光信号散射，而在相反的传播方向上不影响光信号的传播。

4、作为本发明的进一步改进，在折射率时空调制所诱导的单一传播方向上的态耦合过程中实施对称性保护用于消除边带；且光信号初态为波导偶对称传播态，光信号末态为奇对称散射态。

5、作为本发明的进一步改进，光信号末态为散射态，其频率ω与横向波数k不满足波导全反射限制条件,即ω/k>c；其中，c为真空中的光速；从而在波导色散关系图中，散射态的频率与横向波数坐标位于光锥之内。

6、作为本发明的进一步改进，光信号初态为偶对称场分布态，其场强分布相对于波导中心为偶对称状态；光信号末态为奇对称场分布态，其场强分布相对于波导中心为奇对称，即其同时向波导两侧均发生散射。

7、作为本发明的进一步改进，在波导上所实施的折射率时空调制，相对于波导中心呈现奇对称分布，从而耦合偶对称导模和奇对称散射模。

8、作为本发明的进一步改进，在所述态耦合过程中，通过控制调制强度或调制长度来控制在波导中单一传播方向上的光信号强度衰减效果，从而控制隔离率。

9、作为本发明的进一步改进，所述波导为硅基或铌酸锂材料构成的条形或脊形波导。

10、本发明的有益效果是：

11、1、耦合后的光信号自动散射至波导外，此过程不需要滤波结构即可达到光隔离效果。

12、2、耦合末态(散射态)在态空间中连续分布，单一频率的时空调制也可以在大带宽范围内满足相位匹配条件从而实现宽带光隔离。

13、3、调制频率不需要达到两个导模间的频率差值，可以降低对调制频率的要求。

技术特征：

1.一种片上集成高带宽光隔离器的实现方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的片上集成高带宽光隔离器的实现方法，其特征在于，在折射率时空调制所诱导的单一传播方向上的态耦合过程中实施对称性保护用于消除边带；且光信号初态为波导偶对称传播态，光信号末态为奇对称散射态。

3.根据权利要求2所述的片上集成高带宽光隔离器的实现方法，其特征在于，光信号末态为散射态，其频率ω与横向波数k不满足波导全反射限制条件,即ω/k>c；其中，c为真空中的光速；从而在波导色散关系图中，散射态的频率与横向波数坐标位于光锥之内。

4.根据权利要求2所述的片上集成高带宽光隔离器的实现方法，其特征在于，光信号初态为偶对称场分布态，其场强分布相对于波导中心为偶对称状态；光信号末态为奇对称场分布态，其场强分布相对于波导中心为奇对称，即其同时向波导两侧均发生散射。

5.根据权利要求2所述的片上集成高带宽光隔离器的实现方法，其特征在于，在波导上所实施的折射率时空调制，相对于波导中心呈现奇对称分布，从而耦合偶对称导模和奇对称散射模。

6.根据权利要求2所述的片上集成高带宽光隔离器的实现方法，其特征在于，在所述态耦合过程中，通过控制调制强度或调制长度来控制在波导中单一传播方向上的光信号强度衰减效果，从而控制隔离率。

7.根据权利要求1-6任一项所述的片上集成高带宽光隔离器的实现方法，其特征在于，所述波导为硅基或铌酸锂材料构成的条形或脊形波导。

技术总结本发明公开了一种片上集成高带宽光隔离器的实现方法，包括：在波导上实施基于电光或声光效应产生的折射率时空调制，所述的折射率时空调制包括：在单一传播方向上，将波导偶对称导模耦合至奇对称散射模，从而产生散射，以及当波导中光信号沿相反方向传播时，不产生散射；即在一个传播方向上将传播的光信号散射，而在相反的传播方向上不影响光信号的传播；本发明在硅基或铌酸锂材料构成的条形以及脊形波导上，以在单一传播方向上将波导偶对称导模和奇对称散射模耦合为目的，实施波导折射率的时空调制；在态耦合过程实施对称性保护以消除边带；作为集成光隔离器实现方法，其还具有调制频率低、无需额外滤波结构的优点。技术研发人员：刘烨,汪丽莉,张朝民,周骅,郭奕阳,张鑫宇,黄小梅,刘成栋受保护的技术使用者：上海工程技术大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13