CN116774349A - 片上光隔离装置和方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出了一种片上光隔离装置，用于允许第一方向的目标频率的光通过但阻碍第二方向的目标频率的光通过，且第一方向和第二方向互为相反的方向，包括：第一滤波器，被配置成仅允许目标频率的光通过；行波调制器，包含用行波调制信号对光进行调制的调制区，行波调制信号被设置成在调制区不调制第一方向的目标频率的光，但调制第二方向的目标频率的光，行波调制器和第一滤波器依次沿第二方向布置，使得第二方向的目标频率的光先经过行波调制器后到达第一滤波器。

Description

片上光隔离装置和方法

技术领域

本公开涉及光隔离领域，尤其涉及片上光隔离装置和方法。

背景技术

在光链路中，由于光波的传输通常可以是双向的（即光波能够以正向或反向传输），因此光链路中往往存在反射光。在许多光应用场景中，存在于光链路中的反射光可能会对光应用造成负面影响。例如，反射回光源（例如激光器光源等）的反射光容易对光源输出光谱的稳定性产生负面影响（例如导致激光器光源输出的噪声增加等），因此需要光隔离装置在不阻碍非反射光的情况下对反射光进行隔离。

随着半导体领域对光隔离需求的日益增加，迫切需要能集成到半导体芯片上的光隔离器。然而，现有的光隔离器通常基于法拉第磁光效应，这使得它们难以通过半导体工艺及材料制造，更难以集成到半导体芯片（如光芯片等）上。这些缺点使得现有的光隔离器无法满足半导体领域日渐增长的光隔离需求。

发明内容

有鉴于此，本公开提供了片上光隔离装置和方法，期望克服上面提到的部分或全部缺陷以及其它可能的缺陷。

根据本公开的第一方面，提供了一种片上光隔离装置，用于允许第一方向的目标频率的光通过但阻碍第二方向的目标频率的光通过，且第一方向和第二方向互为相反的方向。该片上光隔离装置包括第一滤波器和行波调制器。第一滤波器被配置成仅允许目标频率的光通过。行波调制器包含用行波调制信号对光进行调制的调制区，行波调制信号被设置成在调制区不调制第一方向的目标频率的光，但调制第二方向的目标频率的光，致使第一方向的目标频率的光经过调制区后其频率仍是目标频率，而第二方向的目标频率的光经过调制区后其频率不再是目标频率。行波调制器和第一滤波器依次沿第二方向布置，使得第二方向的目标频率的光先经过行波调制器后到达第一滤波器。

在一些实施例中，调制区具有用于引导光的光波导，光波导的折射率与行波调制信号的幅值相关。

在一些实施例中，行波调制信号的幅值以预定频率f周期性地变化。预定频率f被设置成使得第一方向的目标频率的光的相位在光波导的调制量为0，第二方向的目标频率的光的相位在光波导的调制量非0，致使第一方向的目标频率的光经过光波导后其频率不发生改变，但第二方向的目标频率的光经过光波导后其频率发生改变。

在一些实施例中，行波调制信号沿第二方向传播，预定频率f满足：

f = kc/[(n_m+n_o)L]

其中，k是正整数，c是真空中的光速，L是调制区的长度，n_m是行波调制信号在调制区的折射率，n_o是目标频率的光在调制区未施加行波调制信号时的折射率。

在一些实施例中，调制区还包括供行波调制信号传播的信号介质，行波调制信号在信号介质中沿第二方向传播，信号介质被配置成使得行波调制信号在信号介质中的折射率n_m与目标频率的光在光波导中的折射率n_o相等。

在一些实施例中，光波导由电光材料制成，电光材料的折射率与外加电场相关，行波调制信号是电信号，用于生成或改变外加电场。

在一些实施例中，光波导由声光材料制成，行波调制信号由声波组成，声光材料的折射率受声波调制。

在一些实施例中，光波导的折射率通过外加电场改变波导的载流子浓度分布，行波调制信号是电信号，用于生成或改变外加电场。

在一些实施例中，行波调制器具有干涉仪结构，包括：第一光分离-组合器，用于分离第一方向的光或组合第二方向的光，第二光分离-组合器，用于分离第二方向的光或组合第一方向的光，第一波导和第二波导，均与第一光分离-组合器和第二光分离-组合器耦合，用于引导第一光分离-组合器和第二光分离组合器之间的光，调制区布置在第一波导或第二波导上。

在一些实施例中，行波调制器具有微环谐振结构，包括：至少一条直波导及与至少一条直波导耦合的至少一个环形波导，调制区布置在环形波导上。

在一些实施例中，第一滤波器具有基于目标频率设置的通带。

在一些实施例中，第一滤波器具有微环谐振腔结构、光栅结构和马赫-曾德尔干涉仪结构中的一种。

在一些实施例中，还包括第二滤波器，其被配置成仅允许目标频率的光通过，第二滤波器、行波调制器和第一滤波器依次沿第二方向布置，使得第二方向的目标频率的光将依次经过第二滤波器、行波调制器和第一滤波器。

根据本公开的第二方面，提供了一种经由片上光隔离装置进行光隔离的方法。该方法包括用于允许第一方向的目标频率的光通过的第一步骤组和阻碍第二方向的目标频率的光通过的第二步骤组，第一方向和第二方向互为相反的方向。第一步骤组包括：利用第一滤波器允许第一方向的目标频率的光通过，利用行波调制器对通过第一滤波器的第一方向的目标频率的光不进行调制，致使第一方向的目标频率的光经过行波调制器后其频率仍是目标频率。第二步骤组包括：利用行波调制器对第二方向的目标频率的光进行调制，致使第二方向的目标频率的光经过调制区后其频率不再是目标频率，利用第一滤波器阻碍沿第二方向经过行波调制器后不再是目标频率的光。其中，第一滤波器被配置成仅允许目标频率的光通过，行波调制器包含用行波调制信号对光进行调制的调制区，行波调制信号被设置成在调制区不调制第一方向的目标频率的光，但调制第二方向的目标频率的光。

在本公开要求保护的片上光隔离装置和方法中，利用可以通过半导体工艺及材料制造的滤波器和行波调制器，提出了一种能集成到半导体芯片上（例如集成到现有的光芯片上）的片上光隔离装置，用于允许第一方向的目标频率的光通过但阻碍第二方向的目标频率的光通过。该光隔离装置包括：沿第一方向布置的第一滤波器和行波调制器，第一滤波器和行波调制器均可以集成到半导体芯片上。第一滤波器的通带可以设置为目标频率范围，行波调制器被设置成对沿第一方向传播的光不调制但对沿第二方向传播的光调制，其中第一方向和第二方向互为相反的方向。当目标频率的光沿第一方向输入光隔离器时，将依次经过第一滤波器和行波调制器。由于该光是目标频率，所以经过第一滤波器时无损耗或接近无损耗。由于该光沿第一方向传播，所以经过调制器时不被调制，由此实现：沿第一方向的目标频率的光可以无损耗或接近无损耗地通过光隔离器。当目标频率的光沿第二方向输入光隔离器时，将依次经过行波调制器和第一滤波器。由于该光沿第二方向传播，所以经过行波调制器时被调制，使得该光到达第一滤波器时不再是目标频率的光，故而无法通过第一滤波器，由此实现：沿第二方向的目标频率的光无法通过光隔离器。本公开的装置作为能集成到半导体芯片上的片上光隔离装置，能有效解决现有光隔离器难以满足半导体领域的光隔离需求的问题。

根据下文描述的实施例，本公开的这些和其它优点将变得清楚，并且参考下文描述的实施例来阐明本公开的这些和其它优点。

附图说明

现在将更详细并且参考附图来描述本公开的实施例，其中：

图1图示了根据本公开的一个实施例的一种片上光隔离装置的示例性结构框图；

图2A图示了根据本公开的一个实施例的片上光隔离装置允许第一方向的目标频率的光通的示意性效果图；

图2B图示了根据本公开的一个实施例的片上光隔离装置阻碍第二方向的目标频率的光通的示意性效果图；

图3图示了根据本公开的一个实施例的一种片上光隔离装置的示例性结构框图；

图4图示了根据本公开的一个实施例的一种片上光隔离装置的示意图；

图5图示了根据本公开的一个实施例的行波调制信号的幅值变化图；

图6A图示了根据本公开的一个实施例的用于允许第一方向的目标频率的光通过的第一步骤组的示意性流程图；

图6B图示了根据本公开的一个实施例的用于阻碍第二方向的目标频率的光通过的第二步骤组的示意性流程图。

具体实施方式

下面的描述提供了本公开的各种实施例的特定细节，以便本领域的技术人员能够充分理解和实施本公开的各种实施例。应当理解，本公开的技术方案可以在没有这些细节中的一些细节的情况下被实施。在某些情况下，本公开并没有示出或详细描述一些熟知的结构或功能，以避免这些不必要的描述使对本公开的实施例的描述模糊不清。在本公开中使用的术语应当以其最宽泛的合理方式来理解，即使其是结合本公开的特定实施例被使用的。

首先，对本申请实施例中涉及的部分术语进行说明，以便于理解。

片上（on-chip）：指能集成在单个芯片上，常见的有片上系统（SoC：System-on-a-chip）、片上网络（NoC：network-on-chip）等。

半导体芯片（Semiconductor Chip）：通过在半导体片材上进行浸蚀、布线等制成的能实现某种功能的半导体器件。根据半导体片材的不同，常见的半导体芯片可以分为硅芯片、砷化镓芯片，锗芯片等。

光芯片（Photonic Chips）：又称光子芯片。目前广泛应用于光通信（OpticalCommunication）领域，可实现光通信系统中电信号和光信号之间的相互转换。

滤波器（band-pass filter）：又称带通滤波器，是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备。比如RLC振荡回路就是一个模拟带通滤波器。

通带（filter transmission band）：又称滤波器通带。滤波器作为一种双端口网络，它在某一规定的频率范围内，对信号的衰耗很小或为零，使信号容易通过，这个频率范围即滤波器的通带。

行波（travelling wave）：指平面波在传输线上的一种传输状态，其幅度沿传播方向按指数规律变化，相位沿传输线按线性规律变化。

光调制器（Optical modulator）：指用于调制光的频率、相位、强度等的器件。光调制器按照其调制原理来讲，可分为电光、热光、声光、全光等，它们所依据的基本理论是各种不同形式的电光效应、声光效应、磁光效应、Franz-Keldysh效应、量子阱Stark效应、载流子色散效应等。本公开中的行波调制器也是一种光调制器。

电光效应（electro-optic effect）：指某些各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性，物质的折射率因外加电场而发生变化的现象。电光效应是在外加电场作用下，物体的光学性质所发生的各种变化的统称。

声光效应（acousto-optical effect）：超声波通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变,该应变随时间和空间作周期性变化,使介质折射率发生变化。

折射率（refractive index）：指光在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比。材料的折射率越高，使入射光发生折射的能力越强。折射率与介质的电磁性质密切相关。

波导（waveguide）：指定向引导电磁波的结构。在电磁学和通信工程中，波导这个词可以指在它的端点间传递电磁波的任何结构。

干涉仪（interferometer）：干涉仪是很广泛的一类实验技术的总称，其思想在于利用波的叠加性来获取波的相位信息，从而获得实验所关心的物理量。常见的干涉仪如光干涉仪等。

马赫-曾德尔干涉仪（Mach–Zehnder interferometer）：马赫-曾德尔干涉仪是一种干涉仪，可以用来观测从单独光源发射的光束分裂成两道光束之后，经过不同路径与介质所产生的相对相移变化。

马赫-曾德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator)：马赫-曾德尔调制器是将输入光分成两路相等的信号分别进入调制器的两个光支路。这两个光支路采用的材料可以是电光性材料，其折射率随外部施加的电信号大小而变化。由于光支路的折射率变化会导致信号相位的变化，当两个支路信号调制器输出端再次结合在一起时，合成的光信号将是一个强度大小变化的干涉信号，相当于把电信号的变化转换成了光信号的变化，实现了光强度的调制。

微环谐振腔（microring resonator）：上世纪70年代Marcatili 提出的一种结构，现已应用于滤波、光开关、激光器、光耦合器、调制器、色散补偿器、生物传感等领域。

光栅（Bragg grating）：一种折射率具有一定规律分布的光学器件。

在本申请提供的光隔离装置中，涉及光隔离技术，并且主要涉及片上光隔离技术。本申请提供的片上光隔离装置可以集成到半导体芯片上，用于在光链路中隔离预定方向的光。本申请提供的光隔离装置可以应用于光链路场景中。例如在光链路中，由于光波的传输通常可以是双向的（即光波能够以正向或反向传输），因此光链路中往往存在反射光。在许多光应用场景中，存在于光链路中的反射光可能会对光应用造成负面影响，此时可以将本申请提供的片上光隔离装置集成到光链路中的半导体芯片中，实现在不影响原半导体芯片工作的前提下，隔离预定方向的光。例如，反射回光源（例如激光器光源等）的反射光容易对光源输出光谱的稳定性产生负面影响（例如导致激光器光源输出的噪声增加等），此时可以将片上光隔离装置集成到光链路中的光芯片中，实现在不阻碍光源发射的光的情况下对反射光进行隔离。

图1图示了根据本公开的一个实施例的一种片上光隔离装置100，用于允许第一方向的目标频率的光通过但阻碍第二方向的目标频率的光通过，且第一方向和第二方向互为相反的方向。作为示例，片上光隔离装置可以用于隔离光链路中的反射光。即将光链路中非反射光的方向作为第一方向，光链路反射光的方向作为第二方向，实现在不阻碍非反射光的情况下隔离反射光。

如图1所示，片上光隔离装置100包括第一滤波器110和行波调制器120。其中实线箭头方向是第一方向，虚线箭头方向是第二方向。行波调制器120和第一滤波器110依次沿第二方向布置，使得第二方向的目标频率的光先经过行波调制器120后到达第一滤波器110。作为示例，第一滤波器110和行波调制器120均是可以由半导体材料和工艺制造的器件，且均可以集成到半导体芯片中。

第一滤波器110被配置成仅允许目标频率的光通过。作为示例，第一滤波器110可以是任何可以过滤掉非目标频率的光的滤波器，因此此处不对滤波器的结构及所基于的原理进行限制。例如，第一滤波器110可以具有微环谐振腔结构、光栅结构和马赫-曾德尔干涉仪结构中的一种或多种，也可以具有能实现滤波的任意其他结构。在一些实施例中，第一滤波器110具有基于目标频率设置的通带，以实现仅允许目标频率的光通过。当光经过第一滤波器110时，其处于通带之内的频率的光会无损耗或接近无损耗地通过第一滤波器110，其处于通带之外的频率的光会全部或接近全部被第一滤波器110损耗或抑制。

行波调制器120包含用行波调制信号对光进行调制的调制区1201。行波调制信号被设置成在调制区1201不调制第一方向的目标频率的光，但调制第二方向的目标频率的光，致使第一方向的目标频率的光经过调制区1201后其频率仍是目标频率，而第二方向的目标频率的光经过调制区1201后其频率不再是目标频率。作为示例，行波调制器120可以是任何可以对第一方向的目标频率的光进行调制但不对第二方向的目标频率的光进行调制的光调制器，此处不对行波调制器的种类及基于的原理进行限制。例如，行波调制器120可以基于电光效应、声光效应、载流子色散效应等任何能对光进行调制的原理中的一种或多种，此处不做限制。

片上光隔离装置100利用可以通过半导体工艺及材料制造的滤波器和行波调制器，实现了允许第一方向的目标频率的光通过但阻碍第二方向的目标频率的光通过的光隔离效果。片上光隔离装置100作为能集成到半导体芯片上的片上光隔离装置，能有效解决现有光隔离器难以满足半导体领域的光隔离需求的问题。

在一些实施例中，行波调制器120可以具有干涉仪结构，包括：第一光分离-组合器、第二光分离-组合器以及第一波导和第二波导。第一光分离-组合器用于分离第一方向的光或组合第二方向的光。第二光分离-组合器用于分离第二方向的光或组合所述第一方向的光。第一波导和第二波导均与所述第一光分离-组合器和所述第二光分离-组合器耦合，用于引导所述第一光分离-组合器和所述第二光分离组合器之间的光。作为示例，行波调制器120的调制区1201可以布置在第一波导或第二波导上。作为示例，行波调制器120的干涉仪结构可以是马赫-曾德尔干涉仪结构，它通过观测从单独光源发射的光束分裂成两道光束之后，经过不同路径与介质所产生的相对相移变化。在一些实施例中，行波调制器120也可以直接采用马赫-曾德尔调制器。马赫-曾德尔调制器是将输入光分成两路相等的信号分别进入调制器的两个光支路。这两个光支路采用的材料可以是电光材料、声光材料等，其折射率随外部施加的电信号或声波信号大小而变化。由于光支路的折射率变化会导致信号相位的变化，当两个支路信号调制器输出端再次结合在一起时，合成的光信号将是一个强度大小变化的干涉信号，相当于把电信号或声波信号的变化转换成了光信号的变化，实现了光强度的调制。

在一些实施例中，行波调制器120可以具有微环谐振结构，包括至少一条直波导及与所述至少一条直波导耦合的至少一个环形波导。作为示例，行波调制器120的调制区1201可以布置在环形波导上。

在一些实施例中，行波调制器120的调制区1201具有用于引导光的光波导，所述光波导的折射率与所述行波调制信号的幅值相关。例如，可以通过行波调制信号周期性地改变光波导的折射率，实现对进过光波导的光的调制。作为示例，行波调制信号可以选用锯齿波、三角波、正弦波等周期性变化的波形，此处不做限制。

作为示例，光波导可以由电光材料制成，行波调制信号可以包含电信号。由于电光材料具有电光效应，即其折射率与外加电场相关，因此包含电信号的行波调制信号可以通过生成或改变外加电场的方式实现对经过光波导的光的调制。例如，行波调制信号可以包含以三角波形周期性变化的电信号，从而使得光波导的折射率周期性地变化，实现对经过由光波导的光的调制。

作为示例，光波导也可以由声光材料制成，行波调制信号可以包含声波信号。由于声光材料具有声光效应，即其折射率受声波调制，因此包含声波信号的行波调制信号可以实现对经过光波导的光的调制。例如，行波调制信号可以包含以锯齿波形周期性变化的声波信号，从而使得光波导的折射率周期性地变化，实现对经过由光波导的光的调制。

作为示例，光波导的折射率也可以通过外加电场改变所述波导的载流子浓度分布。行波调制信号可以包含电信号，用于生成或改变外加电场，进而实现对经过光波导的光的调制。例如，可以基于载流子色散效应使得光波导的折射率周期性地变化，实现对经过光波导的光进行调制。

需要指出的是，以上列出的光波导的材料或构成都是示例性的而非限制性的，其对应的行波调节信号的组成也是示例性的而非限制性的。

在一些实施例中，行波调制信号的幅值可以以预定频率f周期性地变化。预定频率f被设置成使得第一方向的目标频率的光的相位在光波导的调制量为0，第二方向的目标频率的光的相位在光波导的调制量非0，致使第一方向的目标频率的光经过光波导后其频率不发生改变，但第二方向的目标频率的光经过光波导后其频率发生改变。作为示例，调制区1201的光波导可以由电光材料组成，此时行波调制信号可以是以预定频率f周期性地变化的电信号。由于预定频率f被设置成使得第一方向的目标频率的光的相位在光波导的调制量为0且第二方向的目标频率的光的相位在光波导的调制量非0，致使第一方向的目标频率的光经过光波导后其频率不发生改变但第二方向的目标频率的光经过光波导后其频率发生改变。

在一些实施例中，行波调制信号沿第二方向传播，此时行波调制信号的预定频率f可以被设置为：

f = kc/[(n_m+n_o)L]

其中，k是正整数，c是真空中的光速，L是调制区1201的长度，n_m是行波调制信号在调制区1201的折射率，n_o是目标频率的光在调制区1201未施加行波调制信号时的折射率。即当行波调制信号沿第二方向传播时，若行波调制信号的预定频率满足上式，则能够实现第一方向的目标频率的光经过光波导后其频率不发生改变但第二方向的目标频率的光经过光波导后其频率发生改变。

在一些实施例中，调制区1201还包括供所述行波调制信号传播的信号介质，行波调制信号在信号介质中沿第二方向传播，信号介质被配置成使得行波调制信号在信号介质中的折射率n_m与目标频率的光在光波导中的折射率n_o相等。行波调制信号在信号介质中的折射率n_m与目标频率的光在光波导中的折射率n_o相等将使得行波调制信号在调制区1201对第二方向的目标频率的光的调制程度最大。作为示例，调制区1201中的光波导选用电光材料，行波调制信号选用幅值周期性变化的电信号。通过配置信号介质使得作为行波调节信号的电信号在信号介质中的折射率n_m与目标频率的光在光波导中的折射率n_o相等，将使得第二方向的目标频率的光在在调制区1201的被调制程度最大。

图2A和2B示意性地示出了片上光隔离装置100进行光隔离的示意性效果图。

图2A图示了片上光隔离装置100允许第一方向的目标频率的光通的示意性效果图。如图2A所示，第一方向的目标频率的光首先经过第一滤波器110。在通过第一滤波器110之前，其光功率主要分布在目标频率（图中f₀表示目标频率）。由于第一滤波器110被设置成仅允许目标频率的光通过，因此第一方向的目标频率的光在经过第一滤波器110之后其光功率不变。然后，第一方向的目标频率的光经过行波调制器120，由于行波调制器120被设置成对第一方向的目标频率的光不进行调制，因此经过行波调制器120后第一方向的目标频率的光的光功率不变。可见，第一方向的目标频率的光可以无损耗或接近无损耗地通过片上光隔离器100。

图2B图示了片上光隔离装置100阻碍第二方向的目标频率的光通的示意性效果图。如图2B所示，第二方向的目标频率的光首先经过行波调制器120。在通过行波调制器120之前，其光功率主要分布在目标频率（图中f₀表示目标频率）。由于行波调制器120被设置为对第二方向的目标频率的光进行调制，因此第二方向的目标频率的光在经过行波调制器后其频率已不再是目标频率。然后，该第二方向的不再是目标频率的光将经过第一滤波器110。由于第一滤波器110仅允许目标频率的光通过，因此该第二方向的不再是目标频率的光将全部或接近全部被第一滤波器110损耗或抑制，致使从第一滤波器110通过的第二方向的光为零或接近于零。可见，第二方向的目标频率的光被片上光隔离器100全部或接近全部地阻碍。

可以看出，片上光隔离装置100包括可以通过半导体工艺及材料制造的第一滤波器110和行波调制器120，这使得它能集成到半导体芯片上（例如集成到现有的光芯片上）。片上光隔离装置100利用其包含的沿第一方向布置的第一滤波器110和行波调制器120，实现在允许第一方向的目标频率的光通过的情况下阻碍第二方向的目标频率的光通过。其中，第一滤波器110的通带可以设置为目标频率，使得仅允许目标频率的光通过光隔离器。行波调制器120被设置成对沿第一方向传播的光不调制但对沿第二方向传播的光调制，使得沿第二方向进入片上光隔离器100的光会被调制，沿第一方向进入片上光隔离器100的光不会被调制。当目标频率的光沿第一方向输入光隔离器100时，将依次经过第一滤波器110和行波调制器120。由于该光是目标频率，所以经过第一滤波器时无损耗或接近无损耗。由于该光沿第一方向传播，所以经过调制器不被调制，由此实现：沿第一方向的目标频率的光可以无损耗或近似无损耗地通过光隔离器100。当目标频率的光沿第二方向输入光隔离器100时，将依次经过行波调制器120和第一滤波器110。由于该光沿第二方向传播，所以经过行波调制器120时被调制，使得该光到达第一滤波器110时不再具有目标频率，故而无法通过第一滤波器110，由此实现：沿第二方向的目标频率的光无法通过光隔离器100。

图3示出了根据本公开的一个实施例的一种片上光隔离装置300。如图3所示，光隔离装置300包括第一滤波器310、行波调制器320和第二滤波器330。作为示例，第一滤波器310、行波调制器320和第二滤波器330均是可以由半导体材料和工艺制造的器件，且均可以集成到半导体芯片中。可选地，第一滤波器310可以与光隔离装置100中的第一滤波器110相同，行波调制器320可以与光隔离装置100中的行波调制器120相同，且包括调制区3201。其中实线箭头方向是第一方向，虚线箭头方向是第二方向。第二滤波器330被配置成仅允许目标频率的光通过，第二滤波器330、行波调制器320和第一滤波器310依次沿第二方向布置，使得第二方向的目标频率的光将依次经过第二滤波器330、行波调制器320和第一滤波器310。第二滤波器330可以滤除第二方向的非目标频率的光，使得以第二方向进入片上光隔离器300的光中不含非目标频率的杂光。第二滤波器330还可以滤除第一方向的非目标频率的光，使得以第二方向通过片上光隔离器300后的光中不含非目标频率的杂光，避免可能因器件工艺和控制误差而引入的调制量污染目标频率的光。

在一些实施例中，第二滤波器330被配置成仅允许目标频率的光通过。作为示例，第二滤波器330可以是任何可以过滤掉非目标频率的光的滤波器，因此此处不对滤波器的结构及所基于的原理进行限制。例如，第二滤波器330可以具有微环谐振腔结构、光栅结构和马赫-曾德尔干涉仪结构中的一种或多种，也可以具有能实现滤波的任意其他结构。在一些实施例中，第二滤波器330具有基于所述目标频率设置的通带，以实现仅允许目标频率的光通过。当光经过第二滤波器330时，其处于通带之内的频率的光会无损耗或接近无损耗地通过第二滤波器330，其处于通带之外的频率的光会全部或接近全部被第二滤波器330抑制或损耗。

图4示出了根据本公开的一个实施例的片上光隔离装置的示意图。

如图4所示，在该实施例中，片上光隔离装置选用具有微环谐振腔结构的微环滤波器410作为第一滤波器，选用具有马赫-曾德尔干涉仪结构的马赫-曾德尔调制器420作为行波调制器，将正向（图4中实线箭头的方向）选为第一方向，反向（图4中虚线箭头的方向）选为第二方向，且行波调制信号被设置为沿反向传播。

在该实施例中，微环滤波器410的通带被设置为目标频率。对于微环滤波器410，如果输入光的频率位于通带内，那么光可以低损耗地通过微环滤波器410；如果输入光的频率位于通带外，那么光例如会被微环滤波器410吸收转换成热能耗散掉。

马赫-曾德尔调制器420的调制区4201可以位于马赫-曾德尔调制器420的上臂或下臂。调制区4201对于不同传播方向的光具有不同的调制效果。令在马赫-曾德尔调制器420未施加行波调制信号时光在调制区4201中的折射率为n_o，行波调制信号的折射率为n_m。则频率为f的行波调制信号对经过调制区4201的光将产生的相位调制幅度|φ_±|为：

|φ_±| = |Asin(θ_±/2)/θ_±| (1)

其中A为常量；下标“+”表示光从隔离器的正方向输入，下标“-”表示光从隔离器的反方向输入。对于正方向输入的光，θ₊的表达式如下：

θ₊ = 2πf(n_o+n_m)L/c (2)

上式中L是调制区4201的长度，c是真空中的光速。

对于反方向输入的光，θ-的表达式如下：

θ_- = 2πf(n_o-n_m)L/c (3)

对于正向输入的光，当θ₊满足特定条件时，φ₊为0，即行波信号对光没有调制，此时，

θ₊ = 2kπ （k = 1，2，3…） (4)

联立式（2）和（4）可知，相应的调制频率f满足：

f = kc/[( n_m+n_o)L] （k = 1，2，3…） (5)

因此只要使得行波调制信号的频率满足式（5）即可使得马赫-曾德尔调制器420对正向输入的光不进行调制，此时马赫-曾德尔调制器420仅会引入很小的光功率损耗。

由于行波调制信号的频率f满足式（5），结合式（3）可知，此时对反方向输入的光会进行调制。为了使对反方向输入的光调制量更大，可以通过对光波导结构和行波的波导结构进行优化设计使得光和行波调制信号具有相同的折射率，即n_o = n_m。此时，对于反向输入的光，由式（3）可知此时θ_- = 0，相应的相位调制幅度|φ_-|为：

|φ_-| = 2A (6)

从式（6）可以看出，此时马赫-曾德尔调制器420对反向输入的光会产生很强的调制，并且调制幅度与调制频率无关。此时将实现允许不改变正向的目标频率的光的频率但改变反向的目标频率的光的频率。对于马赫-曾德尔调制器420，调制后的光信号Eo(t)具有如下的表达式：

E_o(t) = exp(j2πf₀t)·cos[φ_-(t)] (7)

其中f₀为光的频率，φ_-(t)与行波调制信号m(t)的关系如下：

φ_-(t) = |φ_-|·m(t) (8)

示例性地，行波调制信号m(t)可以采用锯齿波，通过选择合适的调制信号幅度，可以使得φ_-(t)的幅度为π，具体如图5所示。对于马赫-曾德尔调制器420调制后的光，利用余弦函数的周期特性，式（7）可以改写为：

E_o(t) = exp(j2πf₀t)·cos(2πft) (9)

利用欧拉公式，可以将式（9）转换成如下形式：

Eo(t) = 0.5·exp[j2π(f₀+ f)t]+ 0.5·exp[j2π(f₀- f)t] (10)

从式（10）可以看出，以反向输入的目标频率f₀的光在经过马赫-曾德尔调制器420后将变成频率为f₀-f和f₀+f的两束光。由于反方向的光在经过马赫-曾德尔调制器420后还需经过微环滤波器410才能从光隔离器输出，而反方向的目标频率的光在经马赫-曾德尔调制器420调制后不再位于微环滤波器410的通带f₀，因此频率为f₀±f的两束光会被微环滤波器410吸收转换成热能从而无法输出。由此光隔离器实现了对反向输入光的隔离。

图6A和图6B示出了根据本公开的一个实施例的经由片上光隔离装置进行光隔离的方法600。方法600包括用于允许第一方向的目标频率的光通过的第一步骤组610和阻碍第二方向的所述目标频率的光通过的第二步骤组620，第一方向和第二方向互为相反的方向。片上光隔离装置可以包括第一滤波器和行波调制器。其中，片上光隔离器的第一滤波器被配置成仅允许目标频率的光通过，片上光隔离器的行波调制器包含用行波调制信号对光进行调制的调制区，行波调制信号被设置成在调制区不调制第一方向的目标频率的光，但调制所述第二方向的目标频率的光。可选地，该实施例中的光隔离装置可以是图1示出的光隔离装置100。

如图6A所示，第一步骤组610包括步骤611和步骤612。

在步骤611，利用第一滤波器允许所述第一方向的目标频率的光通过。所使用的第一滤波器可以是任何可以过滤掉非目标频率的光的滤波器，因此不对滤波器的结构及所基于的原理进行限制。例如，第一滤波器可以具有微环谐振腔结构、光栅结构和马赫-曾德尔干涉仪结构中的一种或多种，也可以具有能实现滤波的任意其他结构。作为示例，可以将第一滤波器的通带设置为目标频率，以实现仅允许目标频率的光通过。当光经过第一滤波器时，其处于通带之内的频率的光会无损耗或接近无损耗地通过第一滤波器，其处于通带之外的频率的光会全部或接近全部被第一滤波器损耗掉。

在步骤612，利用行波调制器对通过所述第一滤波器的第一方向的目标频率的光不进行调制，致使所述第一方向的目标频率的光经过所述行波调制器后其频率仍是所述目标频率。作为示例，行波调制器可以是任何可以对第一方向的目标频率的光进行调制但不对第二方向的目标频率的光进行调制的光调制器，此处不对行波调制器的种类及基于的原理进行限制。例如，使用的行波调制器可以基于电光效应、声光效应、载流子色散效应等任何能对光进行调制的原理中的一种或多种，此处不做限制。作为示例，行波调制器和第一滤波器依次沿所述第二方向布置，使得所述第一方向的目标频率的光先经过第一滤波器后到达行波调制器。

如图6B所示，第二步骤组620包括步骤621和步骤622。

在步骤621，利用所述行波调制器对所述第二方向的所述目标频率的光进行调制，致使所述第二方向的目标频率的光经过所述调制区后其频率不再是所述目标频率。作为示例，使用的行波调制器包含用行波调制信号对光进行调制的调制区。行波调制信号被设置成在调制区不调制第一方向的目标频率的光，但调制第二方向的目标频率的光，致使第一方向的目标频率的光经过调制区后其频率仍是所述目标频率，而第二方向的目标频率的光经过调制区后其频率不再是目标频率。

在步骤622，利用所述第一滤波器阻碍沿所述第二方向经过所述行波调制器后不再是所述目标频率的光。作为示例，行波调制器和第一滤波器依次沿所述第二方向布置，使得所述第二方向的目标频率的光先经过所述行波调制器后到达所述第一滤波器。

在一些实施例中，方法600使用的行波调制器可以具有干涉仪结构，包括：第一光分离-组合器、第二光分离-组合器以及第一波导和第二波导。第一光分离-组合器用于分离第一方向的光或组合第二方向的光。第二光分离-组合器用于分离所述第二方向的光或组合所述第一方向的光。第一波导和第二波导均与所述第一光分离-组合器和所述第二光分离-组合器耦合，用于引导所述第一光分离-组合器和所述第二光分离组合器之间的光。作为示例，行波调制器的调制区可以布置在第一波导或第二波导上。在一些实施例中，行波调制器也可以采用马赫-曾德尔调制器。马赫-曾德尔调制器是将输入光分成两路相等的信号分别进入调制器的两个光支路。这两个光支路采用的材料可以是电光材料、声光材料等，其折射率随外部施加的电信号或声波信号大小而变化。由于光支路的折射率变化会导致信号相位的变化，当两个支路信号调制器输出端再次结合在一起时，合成的光信号将是一个强度大小变化的干涉信号，相当于把电信号或声波信号的变化转换成了光信号的变化，实现了光强度的调制。

在一些实施例中，方法600使用的行波调制器可以具有微环谐振结构，包括至少一条直波导及与所述至少一条直波导耦合的至少一个环形波导。作为示例，行波调制器的调制区可以布置在环形波导上。

在一些实施例中，方法600使用的行波调制器的调制区可以具有用于引导光的光波导，所述光波导的折射率与所述行波调制信号的幅值相关。例如，可以通过行波调制信号周期性地改变光波导的折射率，实现对进过光波导的光的调制。作为示例，行波调制信号可以选用锯齿波、三角波、正弦波等周期性变化的波形，此处不做限制。在一些实施例中，光波导可以由电光材料制成，行波调制信号可以包含电信号。由于电光材料具有电光效应，即其折射率与外加电场相关，因此包含电信号的行波调制信号可以通过生成或改变外加电场的方式实现对经过光波导的光的调制。例如，行波调制信号可以包含以三角波形周期性变化的电信号，实现对经过由光波导的光的调制。在一些实施例中，光波导也可以由声光材料制成，行波调制信号可以包含声波信号。由于声光材料具有声光效应，即其折射率受声波调制，因此包含声波信号的行波调制信号可以实现对经过光波导的光的调制。例如，行波调制信号可以包含以锯齿波形周期性变化的声波信号，实现对经过由光波导的光的调制。在一些实施例中，光波导的折射率也可以通过外加电场改变所述波导的载流子浓度分布。行波调制信号可以包含电信号，用于生成或改变外加电场，进而实现对经过光波导的光的调制。例如，可以基于载流子色散效应对经过光波导的光进行调制。需要指出的是，以上列出的光波导的材料或构成都是示例性的而非限制性的，其对应的行波调节信号的组成也是示例性的而非限制性的。

在一些实施例中，方法600使用的行波调制信号的幅值可以以预定频率f周期性地变化。预定频率f被设置成使得第一方向的目标频率的光的相位在光波导的调制量为0，第二方向的目标频率的光的相位在光波导的调制量非0，致使第一方向的目标频率的光经过光波导后其频率不发生改变，但第二方向的目标频率的光经过光波导后其频率发生改变。作为示例，调制区的光波导可以由电光材料组成，此时行波调制信号可以是以预定频率f周期性地变化的电信号。由于预定频率f被设置成使得第一方向的目标频率的光的相位在光波导的调制量为0且第二方向的目标频率的光的相位在光波导的调制量非0，致使第一方向的目标频率的光经过光波导后其频率不发生改变但第二方向的目标频率的光经过光波导后其频率发生改变。

经由片上光隔离装置进行光隔离的方法600利用能集成到半导体芯片上的片上光隔离装置，通过第一步骤组610和第二步骤组620实现了允许第一方向的目标频率的光通过但阻碍第二方向的目标频率的光通过的光隔离效果。

本申请提供的片上光隔离装置和光隔离方法，用于在光链路中隔离预定方向的光。其中，片上光隔离装置包括可以通过半导体工艺及材料制造的第一滤波器和行波调制器，这使得它能集成到半导体芯片上。当需要在例如光链路等场景中应用时，该片上光隔离装置可以集成在光链路中原有的半导体芯片上，从而在不影响原半导体芯片工作的前提下实现光隔离功能。片上光隔离装置利用其包含的沿第一方向布置的第一滤波器和行波调制器，实现在允许第一方向的目标频率的光通过的情况下阻碍第二方向的目标频率的光通过。第一滤波器的通带可以设置为目标频率，使得仅允许目标频率的光通过光隔离器。行波调制器可以被设置成对沿第一方向传播的光不调制但对沿第二方向传播的光调制，使得沿第二方向进入片上光隔离器的光会被调制，沿第一方向进入片上光隔离器的光不会被调制。当目标频率的光沿第一方向输入光隔离器时，将依次经过第一滤波器和行波调制器。由于该光是目标频率，所以经过第一滤波器时无损耗或接近无损耗。由于该光沿第一方向传播，所以经过调制器不被调制，由此实现：沿第一方向的目标频率的光可以无损耗或近似无损耗地通过光隔离器。当目标频率的光沿第二方向输入光隔离器时，将依次经过行波调制器和第一滤波器。由于该光沿第二方向传播，所以经过行波调制器时被调制，使得该光到达第一滤波器时不再具有目标频率，故而无法通过第一滤波器，由此实现：沿第二方向的目标频率的光无法通过光隔离器。行波调制器具有由行波调制信号调制经过的光的调制区，调制区具有用于引导光的光波导，光波导的折射率与所述行波调制信号的幅值相关。可以通过行波调制信号周期性地改变光波导的折射率，实现对进过光波导的光的调制。行波调制信号的幅值可以以预定频率f周期性地变化。预定频率f被设置成使得第一方向的目标频率的光的相位在光波导的调制量为0，第二方向的目标频率的光的相位在光波导的调制量非0，致使第一方向的目标频率的光经过光波导后其频率不发生改变，但第二方向的目标频率的光经过光波导后其频率发生改变。从而结合滤波器，实现片上光隔离器允许第一方向的目标频率的光但阻碍第二方向的目标频率的光。

应当理解，为清楚起见，参考不同的功能单元对本公开的实施例进行了描述。然而，将明显的是，在不偏离本公开的情况下，每个功能单元的功能性可以被实施在单个单元中、实施在多个单元中或作为其它功能单元的一部分被实施。例如，被说明成由单个单元执行的功能性可以由多个不同的单元来执行。因此，对特定功能单元的参考仅被视为对用于提供所描述的功能性的适当单元的参考，而不是表明严格的逻辑或物理结构或组织。因此，本公开可以被实施在单个单元中，或者可以在物理上和功能上被分布在不同的单元和电路之间。

将理解的是，尽管第一、第二、第三等术语在本文中可以用来描述各种设备、元件、部件或部分，但是这些设备、元件、部件或部分不应当由这些术语限制。这些术语仅用来将一个设备、元件、部件或部分与另一个设备、元件、部件或部分相区分。

尽管已经结合一些实施例描述了本公开，但是其不旨在被限于在本文中所阐述的特定形式。相反，本公开的范围仅由所附权利要求来限制。附加地，尽管单独的特征可以被包括在不同的权利要求中，但是这些可以可能地被有利地组合，并且包括在不同权利要求中不暗示特征的组合不是可行的和/或有利的。特征在权利要求中的次序不暗示特征必须以其工作的任何特定次序。此外，在权利要求中，词“包括”不排除其它元件，并且术语“一”或“一个”不排除多个。权利要求中的附图标记仅作为明确的例子被提供，不应该被解释为以任何方式限制权利要求的范围。

Claims (14)

1.一种片上光隔离装置，用于允许第一方向的目标频率的光通过但阻碍第二方向的所述目标频率的光通过，且所述第一方向和所述第二方向互为相反的方向，其特征在于，包括：

第一滤波器，所述第一滤波器被配置成仅允许所述目标频率的光通过；

行波调制器，所述行波调制器包含用行波调制信号对光进行调制的调制区，所述行波调制信号被设置成在所述调制区不调制所述第一方向的目标频率的光，但调制所述第二方向的目标频率的光，致使所述第一方向的目标频率的光经过所述调制区后其频率仍是所述目标频率，而所述第二方向的目标频率的光经过所述调制区后其频率不再是所述目标频率；

其中，所述行波调制器和所述第一滤波器依次沿所述第二方向布置，使得所述第二方向的目标频率的光先经过所述行波调制器后到达所述第一滤波器。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述调制区具有用于引导光的光波导，所述光波导的折射率与所述行波调制信号的幅值相关。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述行波调制信号的幅值以预定频率f周期性地变化，所述预定频率f被设置成使得所述第一方向的目标频率的光的相位在所述光波导的调制量为0，所述第二方向的目标频率的光的相位在所述光波导的调制量非0，致使所述第一方向的目标频率的光经过所述光波导后其频率不发生改变，但所述第二方向的目标频率的光经过所述光波导后其频率发生改变。

4. 根据权利要求3所述的装置，其中，所述行波调制信号沿所述第二方向传播，所述预定频率f满足：

f = kc/[(n_m+n_o)L]

其中，k是正整数，c是真空中的光速，L是所述调制区的长度，n_m是所述行波调制信号在所述调制区的折射率，n_o是所述目标频率的光在所述调制区未施加行波调制信号时的折射率。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述调制区还包括供所述行波调制信号传播的信号介质，所述行波调制信号在所述信号介质中沿所述第二方向传播，所述信号介质被配置成使得所述行波调制信号在所述信号介质中的折射率n_m与所述目标频率的光在所述光波导中的折射率n_o相等。

6.根据权利要求2所述的装置，其中，所述光波导由电光材料制成，所述电光材料的折射率与外加电场相关，所述行波调制信号包括电信号，用于生成或改变所述外加电场。

7.根据权利要求2所述的装置，其中，所述光波导由声光材料制成，所述行波调制信号包括声波信号，所述声光材料的折射率受声波调制。

8.根据权利要求2所述的装置，其中，所述光波导的折射率通过外加电场改变所述波导的载流子浓度分布，所述行波调制信号包括电信号，用于生成或改变所述外加电场。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述行波调制器具有干涉仪结构，包括：

第一光分离-组合器，用于分离所述第一方向的光或组合所述第二方向的光；

第二光分离-组合器，用于分离所述第二方向的光或组合所述第一方向的光；以及

第一波导和第二波导，所述第一波导和所述第二波导均与所述第一光分离-组合器和所述第二光分离-组合器耦合，用于引导所述第一光分离-组合器和所述第二光分离-组合器之间的光，所述调制区布置在所述第一波导或所述第二波导上。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述行波调制器具有微环谐振结构，包括：

至少一条直波导及与所述至少一条直波导耦合的至少一个环形波导，所述调制区布置在所述环形波导上。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一滤波器具有基于所述目标频率设置的通带。

12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一滤波器具有微环谐振腔结构、光栅结构和马赫-曾德尔干涉仪结构中的一种或多种。

13.根据权利要求1所述的装置，还包括第二滤波器，所述第二滤波器被配置成仅允许所述目标频率的光通过，

其中，所述第二滤波器、所述行波调制器和所述第一滤波器依次沿所述第二方向布置，使得所述第二方向的目标频率的光将依次经过所述第二滤波器、所述行波调制器和所述第一滤波器。

14.一种经由片上光隔离装置进行光隔离的方法，其特征在于，包括用于允许第一方向的目标频率的光通过的第一步骤组和阻碍第二方向的所述目标频率的光通过的第二步骤组，所述第一方向和所述第二方向互为相反的方向，其中，

所述第一步骤组包括：

利用第一滤波器允许所述第一方向的目标频率的光通过，以及

利用行波调制器对通过所述第一滤波器的第一方向的目标频率的光不进行调制，致使所述第一方向的目标频率的光经过所述行波调制器后其频率仍是所述目标频率；

所述第二步骤组包括：

利用所述行波调制器对所述第二方向的所述目标频率的光进行调制，致使所述第二方向的目标频率的光经过所述调制区后其频率不再是所述目标频率，以及

利用所述第一滤波器阻碍沿所述第二方向经过所述行波调制器后不再是所述目标频率的光；

其中，所述第一滤波器被配置成仅允许目标频率的光通过，所述行波调制器包含用行波调制信号对光进行调制的调制区，所述行波调制信号被设置成在所述调制区调制所述第一方向的目标频率的光，但不调制所述第二方向的目标频率的光。