物理所硅基可集成全光二極管和隔離器研制獲得進展

        長期以來，全光二極管與隔離器的研制是微納集成光子學領域的一個世界性的難題。正如傳統集成電路系統運算功能需要電二極管這一基本元件一樣，全光信號運算處理也離不開能使得光子滿足非對異性傳輸的單元，即所謂的“全光二極管”。與此同時，信息技術的迅猛發展，要求信息傳遞的速度更快，信息存儲能力更大，信息處理能力更強，這些研究中離不開光譜分析和光電能譜檢測，光隔離器在其中起著舉足輕重的作用。因此，制造可集成化的全光二極管和隔離器以及發展它們與其他光電器件的集成技術已成為時代的迫切需求。

　　傳統光二極管與隔離器的設計主要基于時間反演對稱性破缺，但其尺寸之大遠達不到集成的要求。微納尺度下的非線性過程、電光效應和磁光效應可被利用來實現光二極管與隔離器，但這些方案要么需要很高的信號光強度以產生足夠大的光學非線性，要么需要器件組成材料為優良的磁光介質或者電光介質。很遺憾的是，普通的硅基光子學器件不具備這些苛刻的材料性能要求，另外，這些器件和成熟的半導體工業采用的CMOS工藝不兼容。因此，人們迫切希望能夠直接在硅基材料上做出性能優良的光二極管和隔離器。

　　最近，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）光物理實驗室李志遠研究員與博士生王晨、鐘曉嵐利用空間對稱破缺的原理，在硅基二維平板光子晶體空氣橋結構上設計并制造了一種無源、被動、線性、易于大規模集成的全光二極管，實現了微納集成光子學上光非對異性傳輸的重要突破。設計的二極管為光子晶體異質結結構（電二極管由半導體pn結構成），由兩塊晶格常數相同但空氣孔孔徑不同的正方晶格光子晶體拼接而成，整體結構尺寸為14×14個周期（約為6×6μm2），為目前世界上尺寸最小的光二極管。三維FDTD數值模擬顯示，在工作波段正向光可以通過此異質結系統而反向光不能，這種非對異傳輸是由兩塊光子晶體的方向帶隙差別所導致的。實驗上，利用微加工手段在硅基SOI片上制造了此種全光二極管結構，在1550nm波段測得正向透過率平均達到21.3%，信號對比度0.885，基本達到了電二極管的水平 (Fig. 1)。相信經過對結構的優化與減小插入、接觸損耗能進一步改善光二極管的性能。

　　進一步的研究表明，該全光二極管器件有很好的光隔離性質。隔離器性能的優劣可以通過將出射光反射回隔離器后測量入射端的信號強度，即在出射端添加一個全反射鏡或將出射光接入同一個對稱的隔離器 (Fig. 2)。理論模擬和實驗測量結果表明，反射光的隔離信號比正向透射信號強度小二到三個數量級，證明該二極管擁有十分優良的隔離性能。經過深入的物理思考和數學分析，研究人員提出了線性無源系統中可以利用結構散射造成的信息耗散來代替電光或磁光效應提供非對異性傳輸中的不可逆非對異作用項，從而實現光非對異性傳輸的理論。

　　超小型、可集成、無源被動、線性的硅基光二極管和隔離器的研制成功將為實現高集成、無源被動光子晶體邏輯回路以及光計算機開拓一條嶄新的思路。相關工作發表在Optics Express 19, 26948–26955 (2011)和Scientific Reports 2, 674 (2012)上。

　　以上研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部和中國科學院項目的資助。

　　

　　圖1 (a)單結型全光二極管結構的電鏡結構圖及(b)透射光譜的理論模擬(左)與實驗測量結果(右)；(c)雙結型全光二極管結構的電鏡結構圖及(d)透射光譜的理論模擬(左)與實驗測量結果(右)；(e)優化過的雙結型全光二極管結構的電鏡結構圖及(f)透射光譜的理論模擬(左)與實驗測量結果(右)。

　　

　　圖2 (a)全光二極管隔離性驗證示意圖，中心虛線表示全反射鏡。(b)全光二極管正向(黑線)、反向(藍線)與隔離透過率(紅線)理論數值模擬結果。(c)全光二極管隔離性驗證電鏡結構圖。(d)實驗測量到的全光二極管正向(黑線)、反向(藍線)與隔離透過率(紅線)結果。(e)改變中心連接波導長度L測得的全光二極管隔離透過率結果。