近日，国防科技大学徐平教授团队和朱志宏教授团队在光学领域顶级期刊《Laser & Photonics Reviews》上联合发表题为《基于自由载流子色散效应的片上全光短脉冲隔离器》的研究论文，报道了一种基于自由载流子色散效应的硅基片上全光非互易器件。该器件首次将自由载流子色散这一物理效应成功应用于短脉冲光学隔离，攻克了硅芯片上传统非线性非互易方案在纳秒脉冲下失效的难题，为发展高性能CMOS芯片级激光雷达与高密度光计算系统提供了关键器件支撑。该研究的第一作者为洪琦琳助理研究员，徐威副教授和夏功榆博士研究生。
光学隔离器是光通信、激光系统和光计算中的“交通警察”，它能确保光信号单向传输，防止反射光损坏敏感的激光器或干扰系统运行。然而，在追求更高速度、更低功耗的芯片级光子系统中，传统磁光隔离器因难以集成而面临瓶颈，而现有硅基的非线性光隔离方案又无法有效处理纳秒级的短脉冲光。
短脉冲隔离的瓶颈与物理困境
实现硅片上、被动、无需外加磁场的光隔离器，是集成光子学领域的追求目标之一。此前的研究主要基于两种路径：
热光效应：响应速度慢（数十至数百纳秒），仅适用于连续光或长脉冲，无法应对纳秒短脉冲。
Kerr效应：虽响应快，但通常需要前向光持续存在来构建非互易相移，不适用于瞬时短脉冲。
这些物理机制的限制，使得在纳秒及以下时间尺度的短脉冲激光（广泛应用于激光雷达、超快光处理等领域）的硅基片上隔离，成为一个亟待解决的问题。
图1 硅基FCD隔离器件结构图以及前后向光透射谱
巧用FCD效应，实现高性能短脉冲隔离
面对上述挑战，研究团队独辟蹊径，首次利用硅材料中响应速度极快的自由载流子色散效应作为核心物理机制，成功设计并制备出高性能的片上短脉冲隔离器。
要点一：物理机制创新——从“红移”到“蓝移”的转变
研究团队通过系统的脉冲宽度扫描实验（1 ns至25 ns），清晰揭示了不同非线性效应的竞争关系：
长脉冲（>10 ns）：热光效应主导，引起谐振谱线红移。
短脉冲（<10 ns）：热积累不足，自由载流子色散效应主导，引起谐振谱线蓝移。
这种在短脉冲下独特的“蓝移”效应，为区别于传统热光方案、实现短脉冲非互易提供了全新的物理基础。
要点二：性能卓越——小尺寸、高隔离比、低损耗
该器件采用标准CMOS工艺制造，展现出优异的综合性能：
超紧凑：尺寸仅100 μm²，利于高密度集成。
高性能：在连续光测试下，非互易传输比高达25 dB，同时插入损耗低于1.65 dB。
脉冲兼容：在1 ns脉冲输入下，器件表现出清晰的隔离特性，反向脉冲被有效抑制。
要点三：系统验证——应用于芯片级激光雷达
为验证其实用性，团队将该隔离器集成于片上时间飞行激光雷达系统中。实验结果表明，该系统在实现有效光学隔离的同时，达到了约2厘米的高测距精度，充分证明了该器件在实际系统中的可靠性与价值。
图2 器件在片上ToF激光雷达模拟系统的应用
本研究工作的核心贡献在于：
1.隔离机制：首次将硅中的自由载流子色散效应确立为实现片上短脉冲光学非互易的有效物理机制。
2.路径创新：提供了一条CMOS兼容、无源、无需磁场、且适用于短脉冲的片上非互易技术路线。
尽管这类非线性非互易器件受动态互易定理限制，但其皮秒级快速响应（载流子寿命）、可调谐的操作功率以及与多种光子平台（如SiC, InP, GaP）的兼容性，使其在高速光开关、高密度光互连、自脉冲激光器和集成光谱学等前沿应用场景中展现出巨大的潜力。
此项研究不仅为解决片上短脉冲光学隔离这一难题提供了创新性解决方案，也为下一代芯片级光电系统的性能提升与功能拓展奠定了坚实的器件基础。
论文信息：
Qilin Hong, Wei Xu, Gongyu Xia, Wen Chen, Qi Zhang, Jiacheng Liu, Jianfa Zhang, Ping Xu, and Zhihong Zhu. "On‐Chip All‐Optical Nonreciprocal Device for Short‐Pulse Isolator Based on Free Carrier Dispersion Effect." Laser & Photonics Reviews, 2025. DOI: 10.1002/lpor.202501849
撰稿|课题组
