在高速光通信和光子集成電路的世界里，激光器就像整套系統(tǒng)的“心臟"。然而，這顆“心臟"卻有一個(gè)長期存在的隱患——害怕“回聲"。當(dāng)激光從芯片中發(fā)出，經(jīng)過光纖、調(diào)制器和各種片上器件后，總會有一部分光被反射回來；哪怕只是-30 dB量級的微弱反射，也可能擾亂激光的振蕩狀態(tài)，引發(fā)模式跳變、強(qiáng)度噪聲增加，甚至進(jìn)入混沌狀態(tài)。為了解決這一問題，研究人員通常不得不在系統(tǒng)中加入體積龐大、成本不菲的光隔離器。但隔離器的存在，也意味著更大的體積、更高的封裝成本和更復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；尤其在追求高密度集成的硅光子平臺上，這種“外掛式"保護(hù)裝置，正在成為規(guī)模化應(yīng)用的瓶頸。

近日，加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)Omid Esmaeeli、Sudip Shekhar團(tuán)隊(duì)聯(lián)合不列顛哥倫比亞大學(xué)Lukas Chrostowski在Nature Photonics發(fā)表題為“Isolator-free laser operation enabled by chip-scale reflections in zero-process-change silicon-on-insulator"的新成果，提出了一種無需改變硅光工藝、無需引入磁光材料的“無隔離器激光方案"。他們用一種巧妙的片上反射與電光反饋設(shè)計(jì)，讓激光器在復(fù)雜反射環(huán)境中依然穩(wěn)定運(yùn)行，為高密度光子集成打開了新的可能。

解決反射光隔離的傳統(tǒng)思路是“隔絕"——利用磁光材料打破光的互易性，讓反射光無法回到激光腔內(nèi)。然而，這類方案往往需要額外工藝步驟，增加插入損耗和制造復(fù)雜度。Omid Esmaeeli團(tuán)隊(duì)的思路卻截然不同：既然反射不可避免，不如主動利用反射，他們在標(biāo)準(zhǔn)220 nm硅基SOI工藝平臺上設(shè)計(jì)了一種可調(diào)節(jié)的片上反射回路——通過環(huán)形鏡與馬赫-曾德爾干涉結(jié)構(gòu)（MZI），構(gòu)建一個(gè)“可控的短外腔"。這一路徑會向激光器注入一束強(qiáng)度和相位都可調(diào)的“自注入光"，人為主導(dǎo)激光的動力學(xué)行為。換句話說，與其讓遠(yuǎn)處的隨機(jī)反射擾亂系統(tǒng)，不如在激光器近旁建立一個(gè)“強(qiáng)而可控的短反射腔"，讓它主導(dǎo)振蕩狀態(tài)，從而壓制遠(yuǎn)端長腔反射帶來的不穩(wěn)定性。這就好比在嘈雜的環(huán)境中，給歌手戴上主動降噪耳機(jī)。不是消滅噪聲，而是讓一個(gè)更強(qiáng)、更可控的信號占據(jù)主導(dǎo)。

實(shí)驗(yàn)中，研究人員將一枚分布式反饋（DFB）激光器通過光子線鍵合（photonic wire bond）方式與硅光芯片集成。片上反射腔長度僅約930μm，往返延遲約25ps，遠(yuǎn)小于典型光纖反射形成的外腔。這種“短外腔"具有一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢：在激光動力學(xué)中，它可以將系統(tǒng)鎖定在穩(wěn)定的單縱模區(qū)域，同時(shí)提高對外部反射的容忍度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在該受控自注入機(jī)制下：對片上反射的容忍度提升至-7 dB，對光纖遠(yuǎn)端反射的容忍度達(dá)到-12 dB，插入損耗僅約1.67 dB，激光線寬可從約600 kHz壓縮至低150 Hz。值得注意的是，這一切均在零工藝改動的標(biāo)準(zhǔn)硅光平臺上實(shí)現(xiàn)，未引入磁光材料，也無需高功率射頻驅(qū)動。

圖1 帶環(huán)形鏡波導(dǎo)的功率可調(diào)硅光芯片示意圖

單純的自注入仍然可能因溫度漂移或環(huán)境擾動而失穩(wěn)。因此，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步構(gòu)建了一套電光反饋控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測激光強(qiáng)度波動，通過算法判斷當(dāng)前是否處于穩(wěn)定單模狀態(tài)。一旦檢測到振蕩或模式跳變，反饋電路便自動調(diào)節(jié)片上相位與幅度控制器，將激光重新拉回穩(wěn)定區(qū)間。整個(gè)過程類似于為激光器安裝了一套“自動巡航系統(tǒng)"，在環(huán)境溫度變化或反射強(qiáng)度波動時(shí)，它能夠主動補(bǔ)償，維持穩(wěn)定輸出。長期監(jiān)測實(shí)驗(yàn)表明，在反饋機(jī)制作用下，激光光譜在長時(shí)間運(yùn)行中保持穩(wěn)定，邊模抑制比與線寬指標(biāo)均維持在優(yōu)異水平。

為了驗(yàn)證該方案在真實(shí)應(yīng)用場景中的可行性，研究團(tuán)隊(duì)將其接入高速光通信鏈路，進(jìn)行高26 Gbps脈沖幅度調(diào)制（PAM）傳輸測試。在未刻意優(yōu)化反射環(huán)境的情況下，激光器同時(shí)暴露于片上與光纖反射。若關(guān)閉自注入控制，激光譜線出現(xiàn)明顯不穩(wěn)定，眼圖閉合嚴(yán)重。而啟用受控自注入與反饋機(jī)制后，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，誤碼率與峰峰值抖動指標(biāo)與商業(yè)封裝、帶隔離器的DFB激光器相當(dāng)。這意味著，該方案不僅在實(shí)驗(yàn)臺上可行，也具備工程應(yīng)用潛力。對于數(shù)據(jù)中心與高速互連領(lǐng)域而言，若能在不使用隔離器的前提下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定激光輸出，將顯著降低封裝復(fù)雜度與系統(tǒng)成本，同時(shí)提高集成密度。

圖2 高速光鏈路中無隔離器激光器運(yùn)行演示

在當(dāng)前硅光技術(shù)路線中，隔離器始終是難以集成的器件之一。磁光材料引入困難、工藝不兼容、成本高昂，都是制約因素。此次工作最大的意義在于，它沒有試圖“制造一個(gè)更好的隔離器"，而是繞開了隔離器本身。通過對激光動力學(xué)的深度理解與片上反射路徑的精細(xì)設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了：（1）CMOS兼容；（2）低插入損耗；（3）小于1mm器件尺寸；（4）可與電子控制芯片協(xié)同封裝。這種架構(gòu)具備高良率與規(guī)模化制造潛力，也更符合未來光電共封裝（co-packaging）趨勢。雖然本工作以數(shù)據(jù)通信為主要驗(yàn)證場景，但“無隔離器穩(wěn)定激光"的意義遠(yuǎn)不止于此，在片上激光雷達(dá)、光學(xué)相干探測、精密傳感與量子光學(xué)系統(tǒng)中，反射同樣是常見問題，若能在系統(tǒng)層面主動管理反饋，而非依賴外置隔離器，將為高密度光子系統(tǒng)帶來更大的設(shè)計(jì)自由度。尤其在追求小型化、低功耗和高集成度的應(yīng)用場景中，這種“主動控制式穩(wěn)定"理念，或許將成為未來主流方向。

長期以來，工程師們努力消除反射、壓制反饋、隔絕干擾。而這項(xiàng)研究卻告訴我們：有時(shí)，與其對抗，不如駕馭。當(dāng)一束可控的短腔自注入光主導(dǎo)系統(tǒng)時(shí)，遠(yuǎn)處的無序反射便失去了破壞力，激光器不再依賴沉重的“防護(hù)盾"，而是擁有了“內(nèi)在免疫力"。從依賴隔離器的“被動防守"，到利用受控反射的“主動穩(wěn)定"，這一步跨越，也許正是硅光子真正邁向高密度、大規(guī)模集成的重要轉(zhuǎn)折。當(dāng)激光不再需要隔離器的保護(hù)，片上光子系統(tǒng)的封裝邊界被進(jìn)一步壓縮，光子集成的未來，也因此更加輕盈。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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