據(jù)麥姆斯咨詢介紹，允許光沿相反方向不對稱傳播的非互易器件，是與硅光子平臺兼容的光通信、非線性信號處理和全光學電路的關鍵元件。從傳統(tǒng)意義上來講，自由空間光學器件的非互易性和隔離性是通過偏置磁光材料實現(xiàn)的，但該技術無法與CMOS工藝兼容。斯坦福大學研究人員結(jié)合了最新的制造技術和逆向設計，證明了硅基集成器件中無偏置、低損耗的非互易性傳輸。

左：單環(huán)器件（上圖）和級聯(lián)器件（下圖）的SEM圖像。右上方：幾個單環(huán)器件（藍點）和級聯(lián)器件（紅點）的傳輸與非互易性功率范圍的性能曲線。單環(huán)器件表現(xiàn)必定會落在陰影區(qū)域中。

該方法基于另一種非互易性方式，即將光學非線性與幾何不對稱性相結(jié)合。在不對稱雙端口諧振器中，輸入功率一定時，腔內(nèi)強度取決于激勵方向。強烈的χ非線性（例如硅的克爾效應）會引起諧振器頻率的偏移，其變化程度取決于存儲強度，進而取決于激勵端口。由于諧振器頻率控制著端口到端口的傳輸，因此這種機理會導致在某些功率范圍內(nèi)產(chǎn)生較大的非互易性，尤其是在設計高度不對稱Fano特征時。盡管受限于特定形式的激發(fā)，但這種方法引人關注，因為它不需要外部偏置場，并且可以在標準的集成光學波導中實現(xiàn)。

該器件由一個單環(huán)諧振器組成，該諧振器通過逆向設計的耦合器側(cè)向耦合到波導上。背景反射率和幾何不對稱性可以通過耦合器的幾何形狀及其在波導中的位置任意改變。研究人員展示了在4.5 dBm的功率范圍內(nèi)傳輸差值大于20 dBm，低于1.1 dB的插入損耗也創(chuàng)下歷史記錄。

重要的是，發(fā)生非互易性的正向傳輸和功率范圍不是獨立的參數(shù)，不能同時達到最大值。通過表征不同器件，研究人員對此極限值進行了首次實驗驗證。通過逆向設計的反射器對背景反射率進行精確控制，能夠根據(jù)需要優(yōu)化兩項指標。

為了突破必須同時權衡傳輸和功率范圍的限制，研究人員通過之前的實驗證明，在距第一個硅環(huán)適當距離處添加第二個硅環(huán)，能夠打破這一局限。該級聯(lián)器件的非互易性功率范圍為6.3 dB，前向發(fā)射高達98%，大大超過了單個諧振器的表現(xiàn)。

如原理證明中所示，這些無源、無偏置的非互易性器件對保護脈沖源特別有用，并且非常適用于飛行時間（ToF）激光雷達系統(tǒng)。從技術角度來看，亞分貝的插入損耗、簡單的設計和自偏置操作，使這類器件極具吸引力，未來有望在集成光子芯片的非互易性信號路由中得到廣泛的應用。

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