[论文解读] Monolithic integration of broadband optical isolators for polarization-diverse silicon photonics

Yan Zhang, Qingyang Du+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2019

Magneto-Optical Properties and Applications参考文献 30被引用 12

一句话总结

本论文提出在硅和氮化硅平台中通过在波导侧壁上沉积高质量磁光石榴石薄膜，实现宽带、偏振分集的单片集成光学隔离器。该方法实现了前所未有的高性能，实现了完全宽带的TE模隔离，使偏振复用硅光子电路具备非互易功能。

ABSTRACT

Integrated optical isolators have been a longstanding challenge for photonic integrated circuits (PIC). An ideal integrated optical isolator for PIC should be made by a monolithic process, have a small footprint, exhibit broadband and polarization-diverse operation, and be compatible with multiple materials platforms. Despite significant progress, the optical isolators reported so far do not meet all these requirements. In this article we present monolithically integrated broadband magneto-optical isolators on silicon and silicon nitride (SiN) platforms operating for both TE and TM modes with record high performances, fulfilling all the essential characteristics for PIC applications. In particular, we demonstrate fully-TE broadband isolators by depositing high quality magneto-optical garnet thin films on the sidewalls of Si and SiN waveguides, a critical result for applications in TE-polarized on-chip lasers and amplifiers. This work demonstrates monolithic integration of high performance optical isolators on chip for polarization-diverse silicon photonic systems, enabling new pathways to impart nonreciprocal photonic functionality to a variety of integrated photonic devices.

研究动机与目标

• 为解决在光子集成电路（PICs）中集成紧凑、宽带、偏振分集光学隔离器这一长期挑战。
• 实现与多种材料和波导模式兼容的硅和氮化硅平台上的磁光隔离器单片集成。
• 通过单一制造工艺实现对TE和TM偏振态的高性能、宽带隔离。
• 支持对偏振无关的非互易光学元件有需求的片上激光器和放大器应用。

提出的方法

• 通过脉冲激光沉积法在硅和氮化硅波导的侧壁上沉积高质量磁光石榴石薄膜。
• 通过优化波导几何结构，增强模式与石榴石层的重叠度，以实现高效的磁光相互作用。
• 采用单片制造工艺，直接在硅和氮化硅平台上集成隔离器，无需混合组装。
• 利用石榴石薄膜中的法拉第效应，在外加磁场下实现非互易光学隔离。
• 通过优化薄膜质量和界面工程，最小化传播损耗并最大化隔离带宽。
• 通过片上表征验证了在TE和TM偏振态下的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在硅和氮化硅平台上实现高性能、低损耗的宽带、偏振分集光学隔离器的单片集成？
• RQ2 如何有效将磁光石榴石薄膜与波导集成，以实现对TE和TM模式的宽带隔离？
• RQ3 在单片集成系统中，对TE偏振光可实现的最大隔离带宽和消光比是多少？
• RQ4 在保持与片上激光器和放大器兼容的前提下，隔离器性能是否可在不同材料平台上保持稳定？
• RQ5 在波导侧壁上实现高质量石榴石薄膜的关键制造挑战是什么？如何克服这些挑战？

主要发现

• 单片集成的隔离器实现了对TE和TM模式的宽带隔离，展示了在硅和氮化硅平台上的偏振分集工作能力。
• 实现了完全宽带的TE模隔离，具有高消光比和低插入损耗，适用于TE偏振的片上激光器和放大器。
• 高质量磁光石榴石薄膜成功沉积于波导侧壁，实现了强法拉第旋转和高效的非互易隔离。
• 在硅光子平台的单片集成中，该隔离器在隔离带宽和消光比方面达到了前所未有的高性能。
• 该集成工艺与标准硅光子制造工艺兼容，具备可扩展性，并可与其他光子元件共集成。
• 该方法使偏振复用光子电路具备非互易功能，是先进PICs的关键使能技术。