光隔离器，重磅突破

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长期以来，硅光子（Silicon Photonics）几乎集成了光通信所需的所有核心器件——波导、调制器、分束器、探测器，却始终缺少一个关键元件：光隔离器（Optical Isolator）。

它的作用看似简单，却不可替代。

半导体激光器是光通信系统的光源，但同时也极易受到反射光干扰。哪怕来自光纤端面、连接器或波导界面的极微弱反射，都会扰动激光器的振荡状态，导致波长漂移、相位噪声增加，严重时甚至引发通信误码。光隔离器正是负责阻断这些反向光，只允许光沿一个方向传播，因此几乎所有高性能光通信系统都离不开它。

然而，这个看似普通的器件，却成为硅光单片集成二十年来最难攻克的一环。

近日，东北大学电气通信研究所后藤太一副教授团队联合京瓷宣布，他们开发出一种利用局部激光退火（Laser Annealing）制造片上光隔离器的新工艺，并成功完成硅光单片集成原型。相关成果发表于《IEEE Access》，京瓷称其为全球首创的激光退火硅光光隔离器集成技术。

真正的突破，并不只是一个器件，而是一种制造方法。

为什么光隔离器始终无法集成？

问题出在材料。

目前性能最好的光隔离器普遍采用铈掺杂钇铁石榴石（Ce:YIG）作为磁光材料。它能够产生法拉第旋转效应，使正向和反向传播的光表现出不同的偏振变化，从而实现光的单向传输。

但Ce:YIG有一个致命缺陷：刚沉积完成时完全处于非晶状态，没有磁光性能，必须经过约600–800°C的高温退火才能形成石榴石晶体。

这与硅光制造形成了天然矛盾。

如今的数据中心硅光芯片，尤其是共封装光学（CPO）架构，内部已经集成了大量铜、铝多层金属布线、电极以及介质结构。这些金属在约400°C以上便可能发生扩散和形变，影响导电性能；硅波导与二氧化硅包层界面也会因高温变得粗糙，导致传播损耗增加。

也就是说，只要采用传统电炉对整片晶圆进行退火，光隔离器和先进硅光电路就无法共存。

因此，多年来行业只能选择另一条路线：将光隔离器单独制造，再通过混合封装（Hybrid Integration）与硅光芯片键合。这也是为什么光隔离器一直被称为硅光“最后一道门槛”。

用激光，只加热几十微米

东北大学与京瓷提出的思路十分直接：既然整片芯片不能加热，那就只加热光隔离器本身。

研究人员首先在商用SOI硅光芯片上刻蚀出一条微沟槽，再利用高频离子束溅射直接沉积Ce:YIG薄膜，无需传统的籽晶层。

随后，他们使用中心波长915 nm、最大输出120 W的半导体激光，将约700 μm见方的均匀光斑精准照射在沟槽区域，使Ce:YIG局部达到结晶所需温度，而芯片其他区域始终保持较低温度。整个过程在真空环境中完成，衬底仅维持约250°C，大幅降低了对金属互连和硅波导的热影响。

相比传统毫米级激光退火，这种微米级局部照射还解决了另一项难题——热膨胀失配导致的薄膜开裂。由于受热区域仅限于几十至几百微米的沟槽内，Ce:YIG与硅之间的应力得到有效释放，实验中未观察到明显裂纹。

这也是此次工作的真正创新点：不是改进Ce:YIG材料，而是重新设计了它与硅光制造工艺的兼容方式。

AMZI，让隔离效果能够被放大

实验器件采用的是非对称马赫–曾德尔干涉仪（AMZI）结构。

硅波导宽550 nm、高180 nm，两条干涉臂之间人为设置15 μm光程差，并在其中一条干涉臂上制作长度分别为50、100和200 μm的Ce:YIG沟槽。

工作原理并不是直接测量法拉第旋转，而是利用磁场改变Ce:YIG中的偏振状态，使干涉光谱发生波长偏移，再根据偏移量反推出磁光旋转能力。

为了避免光纤重新插拔带来的误差，研究团队保持芯片和光纤位置完全固定，仅翻转SmCo永磁体的磁极方向，分别获得正向与反向透射光谱。

这种测量方式比传统插拔测量具有更高的一致性，也更符合片上器件的实际工作状态。

性能达到什么水平？

在100 μm沟槽样品上，器件取得了最好的综合表现。

在1540 nm通信波长下，光隔离度达到13.6 dB，意味着反向反射光功率被降低约95%。

更值得关注的是磁光性能本身。

研究人员观察到透射谱峰值发生4.5 nm偏移，结合44 nm自由光谱范围（FSR）计算得到，Ce:YIG的法拉第旋转能力达到0.092°/μm，约为此前激光退火Ce:YIG的9倍，已经接近传统高温炉退火所制备磁光材料的水平。

透射电子显微镜（TEM）进一步证实了材料已经成功结晶。厚度195 nm的Ce:YIG薄膜形成完整石榴石晶体，其(420)晶面的晶格间距为0.273 nm，与块体材料理论值0.278 nm高度一致；EDX元素分析也显示Ce:Y:Fe约为1:2:5，基本符合石榴石化学计量比。

这些结果说明，局部激光退火不仅能够实现结晶，而且材料品质已经接近传统工艺。

最大的问题反而不是隔离度

真正限制商业化的，是插入损耗。

实验中，该器件的前向插入损耗高达20.4 dB，意味着信号在通过隔离器后已经衰减绝大部分，这远高于数据中心光互连能够接受的水平。

论文进一步拆解了损耗来源：约66%来自沟槽加工造成的侧壁与界面粗糙度，约27%来自Ce:YIG本身的吸收和散射，仅约7%来自AMZI干涉结构。

换句话说，目前最大的瓶颈并不是磁光材料，而是制造工艺精度。

研究团队提出了几项后续优化方向，包括提高干法刻蚀选择比、减少对硅波导的过刻蚀，以及控制退火过程中的氧分压来优化Ce离子价态，但这些方案目前仍停留在讨论阶段，尚未完成实验验证。

距离真正的片上光隔离器，还有两步

除了损耗之外，磁场偏置仍是另一项关键挑战。

此次实验依赖外部SmCo永磁体提供饱和磁场，而真正能够部署在CPO中的片上光隔离器，还需要将磁性偏置层直接单片集成到芯片内部，否则仍需外挂磁体，难以发挥高集成封装的优势。

此外，论文目前仅展示了单颗测试芯片的静态测量结果，并未公布晶圆级良率、退火均匀性、长期热循环可靠性，以及与金属互连近距离布局时的稳定性数据。这些指标，才是真正决定其是否具备数据中心量产价值的关键。

尽管距离产业化仍有不小距离，但这项工作的意义已经十分明确：它首次证明了Ce:YIG能够通过局部激光退火与硅光电路实现真正的单片集成，为硅光补上了长期缺失的最后一个核心无源器件，也为未来CPO和光电融合芯片提供了一条全新的制造路径。

（来源：内容来自半导体行业观察综合）

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