IEEE SiPhotonics2025 | 非互易磁光耦合波导作为集成光隔离器的新方法

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引言

集成光子技术在提高光学系统功能密度和降低能耗方面具有巨大潜力。然而，光隔离器的单片集成仍然是一个重要的技术挑战。本文探讨了一种基于与磁光材料混合的耦合波导设计集成光隔离器的新概念，该设计可在电信波长处实现约35nm带宽的20dB隔离度[1]。

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磁光效应的基本原理

传统的光隔离器依赖于法拉第旋转效应，这在集成光子线路中难以实现。横向磁光克尔效应(TMOKE)已成为导波结构中更适合的非互易效应。在具有TE导模的TMOKE波导中，磁光(MO)材料通过磁化打破了系统的时间反演对称性。

图1. TMOKE波导在TE配置中。红色为硅波导，绿色为磁光材料。

通过将TMOKE配置与具有破坏空间对称性的光子结构相结合，可以获得非互易传输。然而，TMOKE通常只是一种微扰效应，目前提出的集成隔离器在性能或大规模实施的制造兼容性上存在局限性。

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TMOKE耦合波导系统

本文介绍的新方法考虑了一对TMOKE波导中耦合的TE模式。该系统由两个耦合波导组成，中间插入磁光材料。

图2. TMOKE耦合波导示意图：磁光材料插入两个硅波导之间。

从几何上看，沿波导的一半结构是另一半的反向变换。这意味着每个TMOKE波导的TE导模与磁光材料产生相反的TMOKE效应。这在两个波导之间的正向(f)和反向(b)方向的传播常数之间创建了关系：βf1 = βb2和βf2 = βb1。

在该系统中，尽管存在几何对称性，但由于磁光材料的微扰，产生了非同步耦合。这种非同步性可以通过调整磁光活性和耦合强度来调节。

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超模行为与非互易性

耦合系统中的非同步性导致波导之间的能量传输不完全，这是由非对称超模拍频引起的。TMOKE耦合波导系统也是非互易的——在相反的传播方向上，超模翻转并改变系统内的传播特性。

在耦合系统中，总场可以分解为本征模式的线性组合，表示为：

其中Ee和Eo分别表示偶模和奇模振幅，βe,βo表示传播常数。

当光注入波导1时，正向和反向波的强度和相位演变显示出有趣的行为：

图3. 当光注入波导1时，C = 0.7的TMOKE耦合波导系统中的波强度和相位差，显示了正向和反向方向的传播。

图4. 当光注入波导1时，C = √2 - 1的TMOKE耦合波导系统中的波强度和相位差，显示了正向和反向方向的相等强度分裂。

该系统在传播距离等于拍频长度(L = 2π/(βe - βo))时表现出输入的自成像。这意味着如果系统长度等于拍频长度，就不存在非互易性。

然而，在半拍频长度(z = L/2)处，出现了一个有趣的现象。当光在正向和反向方向同时注入波导1时，两个波导在输出处的相位差分别为0和π。

当C = √2 - 1时出现了一个特殊情况，此时正向和反向方向的输出都分裂成两个相等的强度。这种相位和振幅之间的特定关系可以通过将TMOKE耦合波导与适当的干涉仪结合来设计光隔离器。

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实际实现与性能

使用有限差分时域(FDTD)方法的数值模拟表明，当两个硅波导通过1×2多模干涉仪(MMI)连接并用磁光Ce:YIG材料功能化时，这些结构可以在近红外区域(约1.55μm)实现超过20 dB的隔离比，带宽约为35 nm。

这种新方法为实现硅耦合波导中的集成非互易传输提供了新的可能性，这些波导由磁光材料功能化。导致这种非互易性的详细机制为新的隔离器设计提供了基础，可能克服当前集成光子技术中的限制。

该研究已获得欧盟"地平线欧洲"研究与创新计划的资助，资助协议号为101129645（CIRCULIGHT Horizon-EIC-2023-PathFinderOpen-01-01项目），这凸显了其对未来光子集成线路的潜在重要性。