物理所硅基可集成全光二极管和隔离器研制获得进展

        长期以来，全光二极管与隔离器的研制是微纳集成光子学领域的一个世界性的难题。正如传统集成电路系统运算功能需要电二极管这一基本元件一样，全光信号运算处理也离不开能使得光子满足非对异性传输的单元，即所谓的“全光二极管”。与此同时，信息技术的迅猛发展，要求信息传递的速度更快，信息存储能力更大，信息处理能力更强，这些研究中离不开光谱分析和光电能谱检测，光隔离器在其中起着举足轻重的作用。因此，制造可集成化的全光二极管和隔离器以及发展它们与其他光电器件的集成技术已成为时代的迫切需求。

　　传统光二极管与隔离器的设计主要基于时间反演对称性破缺，但其尺寸之大远达不到集成的要求。微纳尺度下的非线性过程、电光效应和磁光效应可被利用来实现光二极管与隔离器，但这些方案要么需要很高的信号光强度以产生足够大的光学非线性，要么需要器件组成材料为优良的磁光介质或者电光介质。很遗憾的是，普通的硅基光子学器件不具备这些苛刻的材料性能要求，另外，这些器件和成熟的半导体工业采用的CMOS工艺不兼容。因此，人们迫切希望能够直接在硅基材料上做出性能优良的光二极管和隔离器。

　　最近，中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）光物理实验室李志远研究员与博士生王晨、钟晓岚利用空间对称破缺的原理，在硅基二维平板光子晶体空气桥结构上设计并制造了一种无源、被动、线性、易于大规模集成的全光二极管，实现了微纳集成光子学上光非对异性传输的重要突破。设计的二极管为光子晶体异质结结构（电二极管由半导体pn结构成），由两块晶格常数相同但空气孔孔径不同的正方晶格光子晶体拼接而成，整体结构尺寸为14×14个周期（约为6×6μm2），为目前世界上尺寸最小的光二极管。三维FDTD数值模拟显示，在工作波段正向光可以通过此异质结系统而反向光不能，这种非对异传输是由两块光子晶体的方向带隙差别所导致的。实验上，利用微加工手段在硅基SOI片上制造了此种全光二极管结构，在1550nm波段测得正向透过率平均达到21.3%，信号对比度0.885，基本达到了电二极管的水平 (Fig. 1)。相信经过对结构的优化与减小插入、接触损耗能进一步改善光二极管的性能。

　　进一步的研究表明，该全光二极管器件有很好的光隔离性质。隔离器性能的优劣可以通过将出射光反射回隔离器后测量入射端的信号强度，即在出射端添加一个全反射镜或将出射光接入同一个对称的隔离器 (Fig. 2)。理论模拟和实验测量结果表明，反射光的隔离信号比正向透射信号强度小二到三个数量级，证明该二极管拥有十分优良的隔离性能。经过深入的物理思考和数学分析，研究人员提出了线性无源系统中可以利用结构散射造成的信息耗散来代替电光或磁光效应提供非对异性传输中的不可逆非对异作用项，从而实现光非对异性传输的理论。

　　超小型、可集成、无源被动、线性的硅基光二极管和隔离器的研制成功将为实现高集成、无源被动光子晶体逻辑回路以及光计算机开拓一条崭新的思路。相关工作发表在Optics Express 19, 26948–26955 (2011)和Scientific Reports 2, 674 (2012)上。

　　以上研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部和中国科学院项目的资助。

　　

　　图1 (a)单结型全光二极管结构的电镜结构图及(b)透射光谱的理论模拟(左)与实验测量结果(右)；(c)双结型全光二极管结构的电镜结构图及(d)透射光谱的理论模拟(左)与实验测量结果(右)；(e)优化过的双结型全光二极管结构的电镜结构图及(f)透射光谱的理论模拟(左)与实验测量结果(右)。

　　

　　图2 (a)全光二极管隔离性验证示意图，中心虚线表示全反射镜。(b)全光二极管正向(黑线)、反向(蓝线)与隔离透过率(红线)理论数值模拟结果。(c)全光二极管隔离性验证电镜结构图。(d)实验测量到的全光二极管正向(黑线)、反向(蓝线)与隔离透过率(红线)结果。(e)改变中心连接波导长度L测得的全光二极管隔离透过率结果。