光环形器Optical circulators是光学系统的关键组件，用于在端口之间路由光，以管理信号流，并保护组件免受回反射影响。随着集成光子学向芯片级系统发展，将关键光学构建单元集成到芯片上，就变得日益重要。光环形器在这一进程中进展缓慢。尽管传统环形器，利用磁光材料打破洛伦兹互易性，但却难以集成到器件。
近日，加拿大麦吉尔大学Charles St-Arnault团队在Nature Photonics上发文，基于薄膜铌酸锂TFLN集成的宽带电光环形器，无需磁性材料、谐振结构或波长转换，即可实现非互易性。
该器件采用两个级联的四端口行波马赫-曾德尔调制器与2×2多模干涉器，通过AM-AM和AM-FM两种调制方法打破洛伦兹互易性。双通道任意波形发生器产生射频信号驱动，对频率、相位、功率及两个偏置点共五个关键参数进行梯度下降优化。
实现了高达37 dB的峰值隔离度，覆盖整个O波段（10mm）和C+L光通信波段（13mm，14 THz带宽）。在端口1至2的额外损耗为0.1 dB，端口2至3的额外损耗为4.9 dB，无源损耗为0.84 dB。
为证明实用性，将该环形器部署于同波长双向相干传输中，使用符合行业标准的硬件、数字信号处理和前向纠错码，在20和40 km标准单模光纤上完成400G/偏振同波长双向相干传输，误码率低于硬判决前向纠错阈值。
这些成果，实现宽带、低损耗、高隔离度无磁环形器，宽带片上环行的可扩展路径与行业标准光纤传输系统相关，将电光非互易性定位为下一代集成光收发器的可制造、与代工兼容的构建单元。
图1：集成环形器的概念示意图。
图2：三端口环形器的性能表征。
图3：关键工作参数失谐时的环形器性能。
图4：双向（BiDi）同波长相干传输。
