[发明专利]基于马赫曾德干涉仪的声光隔离器及其应用方法

说明书

本发明公开了一种基于马赫曾德干涉仪的声光隔离器及其应用方法。该声光隔离器包括分束器、第一非互易臂、第二非互易臂、合束器；其中，第一非互易臂依次包括第一声光波导a、第一普通光波导、第一声光波导b，分别作为移频段、移相段和移频段；第二非互易臂依次包括第二声光波导a、第二普通光波导、第二声光波导b，分别作为移频段、移相段和移频段；声学模式激发时，第一非互易臂、第二非互易臂中的传播方向相反。本发明可以利用声光相互作用实现隔离器或环形器，以实现大带宽、高隔离度、低额外损耗、低功耗等优异的非互易性能及其灵活可重构调控。另外本发明结构简单，成本低，便于工业应用。

技术领域

本发明属于光通信和光计算、光传感技术领域，面向片上光子集成隔离器、环形器等重大需求，聚焦微纳波导非互易光场调控前沿，尤其是涉及了一种基于马赫曾德干涉仪的声光隔离器。

背景技术

非互易光场调控是极其重要且独特的光场调控方式，其在微纳波导中的实现极具挑战性，是实现片上光子集成隔离器、环形器等的重要基础。而隔离器、环形器等非互易器件是实现大规模光子集成芯片不可或缺的关键器件，前者隔离器可隔离光路中的杂散反射，避免干扰激光光源和光放大器，抑制多路径干涉噪声；后者环形器可用于双向光路中正向与反向传播光场或光信号的分离和路由。

目前，微纳波导中的非互易光场调控在带宽、隔离度、额外损耗、功耗等关键性能方面面临重要挑战，具有重大研究意义。

在片上集成微纳波导中打破光场传播的洛伦兹互易性是光子集成领域研究前沿，国际、国内众多研究者提出了种类繁多、各具特点的实现方案，按照物理机理大致可分为三类，分别基于非线性效应、磁光效应以及时空调制。

利用硅、二氧化硅、硫系玻璃等常用光电薄膜材料的多种非线性效应，可以较为简便地实现片上集成非互易光路，但是需要相当高的光功率才能实现强非互易性，并要求光功率在特定范围内才能实现良好的隔离性能，而且往往并未打破时间反演对称性，无法避免动态互易性，即对非线性工作点附近的微扰仍然具有互易性。基于受激布里渊散射（SBS）等特殊非线性效应，可以通过引入单向传播或具有其它形式的方向性的控制光（或泵浦光）场来打破时间反演对称性，以避免动态互易性，但是依然要求信号光（或探测光）功率远低于控制光（或泵浦光）才能实现与信号光（或探测光）功率无关的良好隔离性能。这些不足极大地限制了基于非线性的片上集成非互易器件的应用场景。

相比之下，利用具有磁光效应的材料和外加单向强磁场可以直接打破时间反演对称性，实现片上集成非互易光路，构建结构简洁、性能优异的隔离器、环形器等。然而低损耗强磁光材料薄膜制备难度大，而且片上强磁场的产生和灵活调控也较为困难。目前片上集成磁光非互易器件的额外损耗、工作带宽、隔离度、电磁铁功耗等性能还有待进一步提高。

通过对微纳波导芯区附近的材料折射率进行时空调制，形成单向移动的波导光栅等具有方向性的时变波导，也可以打破时间反演对称性，形成对光子作用的等效磁场，实现片上集成非互易光路。时空调制的常用实现方法为电光调制与声光调制。在实现移动波导光栅方面，射频电场在微纳传输线中的相速度为亚光速，波长多为厘米级，必须通过在波导上加工复杂的微纳结构才能合成适合的波导光栅，器件加工难度大。同时，基于载流子注入的电光调制会造成较大的光损耗，而实现强非互易性往往需要数毫米以上的时空调制区域，使得器件整体额外损耗过大。由于上述不足，电光时空调制方案难以实现高隔离度、低额外损耗、低功耗。

相比电光调制，声光调制在实现移动波导光栅方面具有优势。微纳波导中射频声波模式的相速度在数千米每秒量级，使得其波长在微米或亚微米级，刚好形成适合于光波模式的波导光栅。声光调制的物理机理为波导形变及多种弹光效应造成的折射率分布变化，不会额外引入光损耗。