近日，哈尔滨工业大学（深圳）徐小川团队联合上海科技大学邹毅团队合作，提出了一种基于非线性手性微环谐振腔的无源硅光子二极管。该研究通过引入双纳米柱扰动倏逝场实现手性操控，在保持高品质因子的同时显著降低模式体积，实现了阈值功率低至-7.83 dBm的非互易传输。相关成果以“Low-Threshold Chirality-Enabled Silicon Photonic Diode”为题发表在《Laser & Photonics Reviews》上。哈尔滨工业大学（深圳）博士研究生李杰文为论文的第一作者，哈尔滨工业大学（深圳）徐小川教授、王嘉威教授、上海科技大学邹毅教授为论文的共同通讯作者。此外，哈尔滨工业大学（深圳）姚勇教授、孙云旭副教授、何枫副教授、段嘉楠副教授、董永康教授也为该工作做出了重要贡献。
非互易光学器件作为光通信、量子信息处理等系统的核心组件，在交换源和观察点时表现出不同的传输效率，能够实现光信号的单向传输。传统实现非互易性的方案主要依赖磁光效应，通过外加磁场打破时间反演对称性。尽管磁光器件在自由空间和光纤系统中已广泛应用，但其在集成硅光子电路中的部署面临严峻挑战：磁性材料体积庞大、与硅基工艺不兼容，且需要复杂的外加磁场控制，限制了在集成光子学系统中的应用。光学非线性引导非互易因无需偏置操作、且硅材料本身具有显著的非线性效应，成为实现集成非互易光子学器件的热门途径。其中，基于非线性Fano微谐振腔的光子二极管已被广泛研究，但其性能受限于非互易带宽与插入损耗之间的固有权衡。近年来，手性微环谐振腔因其在芯片上调控光流的独特能力受到关注。然而，已报道的非线性手性微环谐振腔因品质因子和模式体积限制导致非互易阈值功率高，难以满足低功耗应用需求。基于上述限制，研究团队提出了一种基于纳米柱加载微环的片上非厄米微腔，双纳米柱扰动倏逝场实现手性操控，有效地降低了额外损耗引入，实现了低阈值的硅光子二极管。
研究团队通过设计基于纳米柱加载微环的硅基非厄米微腔，实现了低阈值、大带宽、低插入损耗的无源硅光子二极管。手性微环谐振腔由全通型硅基微环和两个纳米柱构成（图1a），通过调控纳米柱的角向位置可实现手性操控。当入射光从不同端口激发时，手性微环谐振腔呈现出不对称的腔内功率分布（图1b）。在非线性区域，腔内功率差引起谐振波长非对称漂移，形成非互易传输带（图1c），实现光子二极管功能（图1d）。
图1 基于手性的无源光子二极管示意图
通过调节纳米柱的角向位置实现二极管的手性操控，调控光子二极管的隔离光谱响应（图2a）。由于波导-微环的耦合区域改变了腔内功率动态，二极管的奇异点和非互易带宽的极值不会出现在参数空间相同位置（图2b）。因此，二极管处于相同手性状态下可能展现出不同的非互易带宽以及温度响应（图2c-e）。
图2 所提出二极管的参数演化
由于依赖于光学非线性，当用不同的激励功率进行激励时，所提出的二极管表现出明显的非互易特性。图3a展示了所提出二极管的透射光谱随着入射功率增加的演化。当系统的最大非互易传输比大于0.5时，二极管的激发功率达到了阈值。随着激发功率提高，二极管的插入损耗迅速降低至接近几乎零损耗（图3b）。利用手性操控技术，可有效降低二极管的阈值功率（图3c-e），缓解基于非线性微腔光子二极管激发功率的问题。
图3 所提出二极管模拟光谱响应随着入射功率增加的演化
为了验证上述方法，研究团队在220 nm的SOI平台上设计并制备了纳米柱加载微环谐振腔（图4a, b），并利用单侧激发装置对制备样品的光谱响应进行表征（图4c）。在线性状态下，所制备的纳米柱加载微环谐振腔表现出互易的透射光谱响应以及非对称的反射光谱响应（图4d）。对应的Q值为68155，手性值为0.41。
图4 实验装置及线性光谱响应
通过逐渐增加激发功率，观察所制备样品透射光谱响应的演化过程（图5a）。实验结果表明，所制备的二极管阈值约为-7.83 dBm (图5b)。在0 dBm激发功率下，非互易带宽为18.75 GHz，最大非互易传输比为21.42 dB（图5c）。此外，所提出的二极管具有可热调谐性（图5d）。在50°C的热调谐范围内，工作带宽可扩展至4.52 dB，插入损耗为0.46 dB（图5e, f）。
图5 非互易特性的实验观察
该工作提出了一种基于非线性手性微环的无源硅光子二极管，阈值功率估计为 -7.83 dBm。在 0 dBm 的激励功率下，非互易带宽约为18.75 GHz，插入损耗约为0.46 dB，最大非互易传输比约为 21.42 dB。此外，还验证了工作波长的热调谐性。所提出的二极管在光谱带宽、插入损耗和调谐性方面具有显著优势。该工作为硅光子平台上的无源光子二极管的大规模集成提供了新路径。
论文链接
https://doi.org/10.1002/lpor.202402078
撰稿|课题组
