近日，加拿大拉瓦尔大学的研究团队发表了一项创新研究，宣布他们成功研发出一种无需外部磁场和透镜的无源宽带法拉第隔离器。这种隔离器能够直接集成到光子电路中，同时实现宽带、高隔离比和低插入损耗的卓越性能。该工作以“Passive broadband Faraday isolator for hybrid integration to photonic circuits without lens and external magnet”为题，发表在《Nature Photonics》上。
技术背景与挑战
光学隔离器在电信、激光雷达（LiDAR）和量子计算等领域中至关重要，可有效防止反射光进入激光器增益介质，从而避免时间和频谱的不稳定性。然而，传统隔离器需要外部磁铁和自由空间光学耦合器，这不仅增加了设备体积，还使得其难以直接集成到光子芯片中。
此次研究瞄准了上述瓶颈，针对光子集成所需的器件小型化、低损耗和高性能提出了解决方案。他们的研究基于“锁定型”铋掺杂铁石榴石（BIG）材料，这种材料在外部磁场移除后仍能保持强法拉第效应。同时，团队创新性地采用飞秒激光直写技术，在BIG材料内部精确雕刻波导，为实现高效光子隔离开辟了新途径。
技术创新与成果
1.全新的材料选择与处理
研究团队选用厚度为480微米的BIG单晶材料，其具有优异的磁光特性和温度稳定性，能在-60℃至150℃范围内保持性能不变。该材料通过特殊的成分调整（包括掺杂镓和铕），在不需要外部磁场的情况下实现了45°的偏振旋转。
2.创新的飞秒激光加工技术
为解决传统波导制作中损耗高、结构不对称的问题，团队开发了“交替螺旋-螺旋激光写入技术”。这一技术结合了精确的激光束焦点控制与螺旋扫描路径，成功实现了低于0.15 dB的波导插入损耗和高达346° dB−1的性能指标。
3.宽带和高隔离比性能
通过将法拉第旋转器波导夹在两片30微米厚的偏振片之间，研究人员成功构建了一种光学隔离器。该器件覆盖整个电信C波段（1,510至1,600 nm），在不需要外部磁铁的情况下实现了>25 dB的隔离比和<1.5 dB的插入损耗。
实际应用与意义
这项研究为光子芯片和光子系统的混合集成提供了全新解决方案，显著提升了系统的集成度和性能。以下是该技术的主要应用前景：
- 高性能电信设备：支持更稳定的光信号传输，适用于高速数据中心和下一代网络架构。
- 激光雷达系统：帮助实现更小型化和高效能的传感器，促进自动驾驶和精密测量技术的发展。
- 量子计算与通信：为量子态传输提供更高的隔离和稳定性，支持量子信息的可靠操作。
研究人员指出，混合集成法拉第隔离器还具备与不同光子平台兼容的潜力，包括硅光子、电介质平台和III-V族材料。这种跨平台的兼容性使其成为高密度光子集成的理想选择。
未来展望
研究团队计划进一步优化激光写入技术，以提高波导的制造效率和性能稳定性。同时，他们正探索将隔离器直接与光子芯片上的其他器件结合，从而进一步简化系统设计并降低成本。
这项研究不仅突破了光学隔离器的传统限制，也为光子技术领域开辟了新的研究方向。随着技术的进一步完善，宽带法拉第隔离器有望在光学、通信和量子计算领域中扮演更加重要的角色，为光子集成电路的未来发展奠定坚实基础。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41566-024-01601-0
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