控制光:阻止集成光子学中的干扰原子传感器用隔离器;单向的石墨烯。
停止集成光子学中的干扰
EPFL和普渡大学的研究人员将集成光子学和MEMS结合起来，开发了一种电力驱动的光学isolator-on-a-chip它只向一个方向传输光。
光隔离器用于防止来自其他组件的反射光损害或干扰片上激光器的性能。它们通常使用磁性材料和磁场来制造，但这导致了当前铸造工艺的问题，更不用说让它们足够小了。
相反，该团队构建了一种无磁、电驱动的光学隔离器，可以在芯片上实现光路由，该芯片使用压电式氮化铝(AlN)单片集成在超低损耗氮化硅(Si3N4)光子集成电路上。
研究人员说，同步驱动多个压电MEMS驱动器产生大量的声波，这些声波可以耦合并偏转在它们下面的Si3N4波导中传播的光。这种声光调制模仿磁铁驱动隔离器的效果。
一种含有多个光学隔离器的氮化硅芯片。(来源:欧洲)
“结合集成光子学和MEMS工程，我们展示了一种混合半导体制造技术，它完全兼容cmos，并可通过大量代工工艺实现，”EPFL微纳米技术中心(CMi)领导Si3N4芯片制造的Junqiu Liu博士说。
该团队实现了10 dB的线性光学隔离，并在光信号载体上实现了单向、无损耗数字数据传输的实验测量。
应用包括芯片级原子钟、激光雷达、光子量子计算和片上光谱学等。该团队正在研究的一个应用是构建量子相干微波到光学转换器。
原子传感器隔离器
伊利诺伊大学香槟分校的研究人员采取了另一种预防方法光子电路中的干扰他的研究重点是控制量子传感设备中的原子。
伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)机械科学与工程(MechSe)教授Gaurav Bahl说:“原子是自然界中任何地方的完美参考，为许多量子应用提供了基础。”“我们用来控制原子的激光需要隔离器来阻止不良反射。但到目前为止，在大规模实验中工作良好的隔离器被证明很难小型化。”
磁光隔离器可以让光离开激光，但防止它向后移动并干扰激光，在小型化方面存在问题，并可能对附近的原子产生负面影响。
“隔离器是一种设备，它允许光不间断地单向通过，并在相反的方向完全阻止它，”本杰明·孙说，他是伊利诺伊大学香槟分校的前研究生和博士后研究员，现在在NIST博尔德分校工作。“仅仅使用任何普通的电介质材料或玻璃都无法实现这种单向性，因此我们需要更具创新性。我们还希望隔离器能在原子传感器调谐的波长下工作，即使在大范围内也很难做到这一点。”
该团队的设计使用了铌酸锂，一种常见的光学材料，并适用于不同波长的光。在这种情况下，芯片优化用于780纳米光，这是配置常见铷基传感器所需的波长，另一种用于1550纳米光。
“我们想设计一种能自然避免损耗的设备，而最好的方法就是让光不通过任何东西传播。最简单的‘无’仍然可以引导光子沿着受控路径是波导，这是光子电路中非常基本的组件，”Bahl说。
完整的光子隔离器包括一个波导和一个相邻的环形谐振器，形状像一个椭圆形的跑道。通常情况下，入射光会从波导进入谐振腔，不管它的方向如何，因此会阻塞所有的光流。但当研究小组将声波施加到环上时，谐振器只捕捉到通过波导向后移动的光。在向前的方向上，光通过波导时没有阻碍，就好像谐振腔不存在一样。
在测试中，光子只有万分之一的机会反向穿过，将不必要的光吸收减少到几乎为零。
“制造的简单性是关键——用我们的方法，你可以打印出适用于你需要的任何波长的光子隔离器，同时都在同一个芯片上。这在今天的其他方法中是不可能的，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校电气工程研究生奥古尔坎·奥塞尔说。
单向的石墨烯
普渡大学的研究人员开发了一种“拓扑循环器，它利用了石墨烯的独特相。
石墨烯可以在边缘支持单向电磁波。研究人员说，这些“边缘波”与物质的一种新的拓扑相有关，称为光学n不变量，并象征着材料中的相变，与从固体到液体的转变没什么不同。
在这个新阶段，光沿石墨烯边缘沿一个方向传播，对无序、缺陷和变形具有鲁棒性。这种非互反效应被利用来开发“拓扑循环器”，或可用于芯片上全光处理的单向信号路由器。
研究人员补充说:“循环器是集成光学电路的基本组成部分，但由于其笨重的部件和当前技术的窄带宽，它一直未能小型化。拓扑循环器克服了这一点，因为它是超亚波长和宽带的，这是由物质独特的电磁相位实现的。应用包括信息路由以及量子和经典计算系统之间的互连。”
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