导 读
近日，耶鲁大学应用物理系Peter T. Rakich教授课题组提出了一种利用光学偏转弹性波来产生单向光学调制的新器件——行波非互易调制器，并通过实验证明了非局域声光散射在集成硅基光子平台上产生非互易单边带调制和模式转换。在该系统中，硅波导中的光力驱动行波声学声子，通过线性带间布里渊散射在单模波导中实现光波的空间调制。该过程将窄带非互易方案扩展到行波物理，实现了大于125 GHz宽的工作频带，前向与后向传输光波之间高达38 dB的非互易对比度。此外，通过改变光学驱动波长，调制器工作波长可在35nm范围内调谐。这种行波声光相互作用有望实现宽带，低损耗的隔离器和环行器等硅基光子集成器件。相关工作以“Non-reciprocal interband Brillouin modulation”为题，发表在《Nature photonics》期刊上。
近年来，集成光学技术正向片上集成的方向快速发展，这对光学器件提出了更高的要求，如器件的小型化、集成化、功能化和智能化，尤其是对非互易光波导器件的要求更高。非互易光学器件主要包括光隔离器和环路器，隔离器可以保护有源元件免受反向散射光的破坏，环路器可实现信号在多个端口间流转和反射信号与透射信号的分流。
非互易光传输对于控制光子系统中的光学串扰和反向散射至关重要。理想的非互易传输器件将对大范围的输入功率具有线性响应，在较宽的光学频带上操作，具有较低的光损耗，并且提供稳健且显著的非互易响应。尽管已经进行了相当大的努力以实现集成光子系统的小型化、功能化，然而，在低损耗集成光子电路中实现高保真，非互易性仍然具有相当的挑战性。
本工作，研究人员提出了一种利用光偏转弹性波来产生单向光学调制的新器件。在低损耗可集成硅波导中实现了非局域的带间布里渊调制，如图1a，b所示。这种结构由一个2.39厘米长的悬浮硅膜组成，可引导光波和声波。当光被限制在两个不同的多模脊状波导的内部，这些导波可能与贯穿整个膜结构的弹性波相互作用。每个波导支持具有对称外场分布的基本光学模式（图1c，d）和反对称场分布的高阶模式（图1e，f）。 图1g表示了一个声子模式的空间特征，实现了布里渊共振频率周围的非局域声光耦合。图1h是该结构中带间调制过程。该过程也可以理解为相干斯托克斯布里渊散射的非局域形式（类比于相干斯托克斯拉曼散射），其能级图如1i所示。基于非局域带间布里渊散射（non-local interband Brillouin scattering，NIBS）来描述这些过程的空间行为和动态。在NIBS过程中，行进的弹性波破坏了前向和后向传输光波之间的对称性，以产生单向模式转换和单向边带调制，如示意图1j所示。
图1 硅光波导带间调制
该系统中，非互易调制响应可以理解为前后两个方向上带间散射的不同相位匹配。硅光机械调制器与集成模式多路复用器相连接，以分别寻址脊状光波导的导光模式。模式多路复用过程如图2a所示；该过程可以反向操作以将这些光波导解复用（de-multiplex）成单模总线波导。驱动和调制器波导分别与两个多路复用器（图2c中标记为M1-M4）相连接，以（解复用）多路复用这两个光学模式。行进弹性波的带间耦合是光学驱动的，当这些波传输通过驱动波导的有源区时，它们通过SIMS（stimulated intermodal Brillouin scattering）耦合以转换对应于图2b中所示的色散点上的相干声学声子。图d显示了光学驱动的声子通过受激光散射介导初始（空心圆）和最终（实心圆）状态之间的能量转移，该过程相位匹配和能量守恒。e，f，是调制器波导的非互易响应图。在正向操作（e）中，注入M3的端口p1（速记M3p1）的光在通过M4的端口p2（M4p2）离开器件之前被入射声子进行频移和模式转换；相反，在后向操作（f）中，入射在M4p2中的光不受弹性波的影响并通过M3p2离开器件。这些现象可以通过图g带间散射的相位匹配图来理解，在前进方向（右轴），声子与对称和反对称模式之间的光子跃迁相位匹配。然而，在后向方向（左轴），非互易波矢量失配阻止了入射声子介导带间耦合。
图2带间布里渊调制器的相位匹配和工作方式
进一步，研究人员对硅光波导非互易调制器进行了实验验证。图3a是实验装置图，由频率Ω分开的两个光调制器由相同的泵浦激光器合成并耦合到驱动波导的单独模式中。第二个probe激光器在两条路径中传输；在上臂中，光以任何模式或方向耦合到调制器波导中，这取决于所选择的输入端口；在通过波导传输后，光在片外耦合并与频移的局域振子（下臂）组合以进行外差光谱分析。图3b是probe调制的相位匹配响应与驱动波解调Ω的函数关系曲线，在频率ΩB/2π= 5.7 GHz处，通过共振的弹性波显示出很强的布里渊耦合。当驱动波解调为Ω=ΩB时，在一个器件内正向和反向注入光的斯托克斯散射效率表现出波长依赖性，且在两个传播方向上表现出约1nm（125GHz）的FWHM调制带宽，如图c。具有相同声学共振频率的三个不同器件的非互易调制和模式转换如图3d（i-iii）所示。这些数据分别对应于波导宽度不对称的器件（δ= 5nm，10nm和15nm），图3d（i）与图3b，c中研究的器件相同，这些数据证明了器件（δ= 5nm）的最大非互易性为38 dB，并且在器件（δ= 15nm）的整个FWHM带宽（1.18nm或150GHz）上具有超过19dB的非互易性。随着δ的增加，驱动器和调制器波长之间的差异增大，以满足相位匹配。由于集成模式多路复用器中的串扰，少量的光通过反斯托克斯散射而蓝移。当驱动波长从1530 nm调整到1565 nm时，探头响应由a发生相应的变换。
图3 非互易调制器的实验特性
研究人员证明了一种有趣的非局域布里渊散射形式（NIBS），并利用行波声光相互作用在集成硅波导中实现了非互易的带间调制。通过这个过程，在较宽的工作带宽（150 GHz）上实现了高对比度（20-40 dB）的非互易耦合，并实现了在4 THz（35 nm）的频率窗口上可调谐行波声光相互作用。与传统的基于布里渊的信号处理技术相比，该调制过程的带宽通过光学相位匹配来控制，而不受共振光学或声学模式的寿命限制。这允许行波非互易调制器工作带宽比最先进的光机械调制器大两个数量级，比器件的固有声响应大四个数量级。这种行波非互易调制器为设计宽带，高性能可集成的光隔离器和环路器提供了新的方案。
https://www.nature.com/articles/s41566-018-0254-9
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编辑：冯元会
审核：颜学俊
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