Ultrabroadband On-Chip Optical Circulator via Traveling-Wave-Driven Nonreciprocal Mode Conversion

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作者
Weike Zhao,Mingyu Zhu,Aoyun Gao,Hongxuan Liu,Hengzhen Cao,Fei Huang,Weihan Wang,Zhun Wei,Zejie Yu,Liu Liu,Daoxin Dai
出处
期刊:ACS Photonics [American Chemical Society]
卷期号:12 (12): 6650-6661
标识
DOI:10.1021/acsphotonics.5c01650
摘要

Nonreciprocal optical devices such as isolators and circulators form the backbone of modern optical systems by enabling unidirectional light routing and signal isolation. The rapid development of on-chip photonic systems, driven by the cointegration of semiconductor lasers and optical components, demands fully monolithic nonreciprocal devices without reliance on magneto-optical materials. We propose and demonstrate a traveling-wave-driven optical circulator on the lithium niobate-on-insulator (LNOI) platform, leveraging electro-optically induced nonreciprocal TE0-TE1 mode conversion. The device architecture combines a traveling-wave electro-optic (E-O) nonreciprocal mode converter with two mode (de)multiplexers, while a square-wave radiofrequency (RF) signal is synchronized to introduce the direction-dependent phase modulation as desired. Experimentally, the fabricated multiport optical circulator with the 1.5 cm-long modulation region shows low excess losses of 0.5–2 dB as well as high extinction ratios exceeding 15 dB (counter-propagation) and 10 dB (copropagation) across the wavelength range of 1530–1605 nm, achieved with 21 dBm and 4.1 GHz RF driving signals. Note that this approach eliminates the need for magneto-optical materials and enables full circulation-path reconfigurability through controlling the injected RF signals. The present approach of merging an E-O nonreciprocal mode converter and mode (de)multiplexers opens a promising option for developing nonmagnetic nonreciprocity in photonic integrated circuits, with direct applicability to quantum photonics, optical communications, and programmable photonic networks.
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