[论文解读] Breaking Reciprocity in Integrated Photonic Devices Through Dynamic Modulation

Ian A. D. Williamson, Momchil Minkov+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2020

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文综述了用于在芯片级光子器件中打破光学互易性的动态调制技术，实现了隔离器和环形器等非互易组件。通过利用波导和谐振器等时间调制结构，该方法在光学波长下实现了可扩展的性能指标，具备隔离性和方向性。

ABSTRACT

Nonreciprocal components, such as isolators and circulators, are crucial components for photonic systems. In this article we review theoretical and experimental progress towards developing nonreciprocal photonic devices based on dynamic modulation. Particularly, we focus on approaches that operate at optical wavelengths and device architectures that have the potential for chip-scale integration. We first discuss the requirements for constructing an isolator or circulator using dynamic modulation. We review a number of different isolator and circulator architectures, including waveguide and resonant devices, and describe their underlying operating principles. We then compare these device architectures from a system-level performance perspective, considering how their figures of merit, such as footprint, bandwidth, isolation, and insertion loss, scale with respect to device degrees of freedom.

研究动机与目标

• 为光子系统中非互易组件（如隔离器和环形器）的关键需求提供解决方案，这些组件对于信号路由和保护至关重要。
• 识别并分析基于动态调制的器件架构，以实现在光学波长下的非互易性。
• 基于关键性能指标（如尺寸、带宽、隔离度和插入损耗）评估并比较不同隔离器和环形器设计——波导型与谐振型。
• 探讨器件自由度如何影响系统级性能，特别是在片上集成背景下的表现。

提出的方法

• 本文分析了通过时变调制实现非互易性的理论框架，重点研究通过时变折射率调制打破洛伦兹互易性的机制。
• 研究了基于波导的架构，其中动态调制通过破坏时间反演对称性诱导非对称传输。
• 研究了谐振器件架构，其中时变调制的谐振模式可实现频率转换和非互易相移。
• 在不同器件配置下评估了隔离度、插入损耗、带宽和尺寸等性能指标。
• 分析了将器件自由度（如调制深度、频率、空间分布）与关键性能指标相关联的缩放规律。
• 进行了对比性的系统级评估，以评估集成密度、带宽与隔离性能之间的权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在芯片尺度的集成光子器件中利用动态调制打破光学互易性？
• RQ2 在时变调制的非互易器件中，隔离性能、带宽、尺寸和插入损耗之间的基本权衡是什么？
• RQ3 在可扩展性和系统级性能方面，波导型与谐振型器件架构有何差异？
• RQ4 器件自由度（如调制频率、深度、空间分布）在决定非互易组件性能指标方面起什么作用？
• RQ5 基于动态调制的隔离器和环形器在集成光子学中的实际限制和缩放行为是什么？

主要发现

• 通过时变折射率调制破坏时间反演对称性，动态调制可在集成光子器件中实现非互易行为。
• 波导型和谐振型架构均可实现非互易性，但在带宽、尺寸和隔离性能方面存在不同的权衡。
• 隔离度和插入损耗随调制深度和频率增加而提升，其中更高的调制深度可提高隔离度，但会增加损耗。
• 谐振器件可提供更高的隔离度，但对失谐更敏感，且对调制参数的控制要求更精确。
• 在许多设计中，尺寸与带宽呈反比关系，这种权衡源于调制带宽与器件尺寸之间的相互作用。
• 通过调节器件自由度，可优化系统级性能指标（如隔离度和插入损耗），从而实现可扩展的集成。