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的“心臟"。然而，這顆“心臟"卻有一個長期存在的隱患——害怕“回聲"。當激光從芯片中發出，經過光纖、調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，引發模式跳變、強度噪聲增加，甚至進入混沌狀態。為了解決這一問題，研究人員通常不得不在系統中加入體積龐大、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雜的系統結構；尤其在追求高密度集成的硅光子平臺上，這種“外掛式"保護裝置，正在成為規模化應用的瓶頸。

近日，加拿大英屬哥倫比亞大學Omid Esmaeeli、Sudip Shekhar團隊聯合不列顛哥倫比亞大學Lukas Chrostowski在Nature Photonics發表題為“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計，讓激光器在復雜反射環境中依然穩定運行，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。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雜度。Omid Esmaeeli團隊的思路卻截然不同：既然反射不可避免，不如主動利用反射，他們在標準220 nm硅基SOI工藝平臺上設計了一種可調節的片上反射回路——通過環形鏡與馬赫-曾德爾干涉結構（MZI），構建一個“可控的短外腔"。這一路徑會向激光器注入一束強度和相位都可調的“自注入光"，人為主導激光的動力學行為。換句話說，與其讓遠處的隨機反射擾亂系統，不如在激光器近旁建立一個“強而可控的短反射腔"，讓它主導振蕩狀態，從而壓制遠端長腔反射帶來的不穩定性。這就好比在嘈雜的環境中，給歌手戴上主動降噪耳機。不是消滅噪聲，而是讓一個更強、更可控的信號占據主導。

實驗中，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，遠小于典型光纖反射形成的外腔。這種“短外腔"具有一個關鍵優勢：在激光動力學中，它可以將系統鎖定在穩定的單縱模區域，同時提高對外部反射的容忍度。實驗數據顯示，在該受控自注入機制下：對片上反射的容忍度提升至-7 dB，對光纖遠端反射的容忍度達到-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準硅光平臺上實現，未引入磁光材料，也無需高功率射頻驅動。

圖1 帶環形鏡波導的功率可調硅光芯片示意圖

單純的自注入仍然可能因溫度漂移或環境擾動而失穩。因此，團隊進一步構建了一套電光反饋控制系統。該系統實時監測激光強度波動，通過算法判斷當前是否處于穩定單模狀態。一旦檢測到振蕩或模式跳變，反饋電路便自動調節片上相位與幅度控制器，將激光重新拉回穩定區間。整個過程類似于為激光器安裝了一套“自動巡航系統"，在環境溫度變化或反射強度波動時，它能夠主動補償，維持穩定輸出。長期監測實驗表明，在反饋機制作用下，激光光譜在長時間運行中保持穩定，邊模抑制比與線寬指標均維持在優異水平。

為了驗證該方案在真實應用場景中的可行性，研究團隊將其接入高速光通信鏈路，進行高26 Gbps脈沖幅度調制（PAM）傳輸測試。在未刻意優化反射環境的情況下，激光器同時暴露于片上與光纖反射。若關閉自注入控制，激光譜線出現明顯不穩定，眼圖閉合嚴重。而啟用受控自注入與反饋機制后，系統穩定運行，誤碼率與峰峰值抖動指標與商業封裝、帶隔離器的DFB激光器相當。這意味著，該方案不僅在實驗臺上可行，也具備工程應用潛力。對于數據中心與高速互連領域而言，若能在不使用隔離器的前提下實現穩定激光輸出，將顯著降低封裝復雜度與系統成本，同時提高集成密度。

圖2 高速光鏈路中無隔離器激光器運行演示

在當前硅光技術路線中，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“制造一個更好的隔離器"，而是繞開了隔離器本身。通過對激光動力學的深度理解與片上反射路徑的精細設計，研究團隊實現了：（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同封裝。這種架構具備高良率與規模化制造潛力，也更符合未來光電共封裝（co-packaging）趨勢。雖然本工作以數據通信為主要驗證場景，但“無隔離器穩定激光"的意義遠不止于此，在片上激光雷達、光學相干探測、精密傳感與量子光學系統中，反射同樣是常見問題，若能在系統層面主動管理反饋，而非依賴外置隔離器，將為高密度光子系統帶來更大的設計自由度。尤其在追求小型化、低功耗和高集成度的應用場景中，這種“主動控制式穩定"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。而這項研究卻告訴我們：有時，與其對抗，不如駕馭。當一束可控的短腔自注入光主導系統時，遠處的無序反射便失去了破壞力，激光器不再依賴沉重的“防護盾"，而是擁有了“內在免疫力"。從依賴隔離器的“被動防守"，到利用受控反射的“主動穩定"，這一步跨越，也許正是硅光子真正邁向高密度、大規模集成的重要轉折。當激光不再需要隔離器的保護，片上光子系統的封裝邊界被進一步壓縮，光子集成的未來，也因此更加輕盈。

參考文獻： 中國光學期刊網

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