大规模光芯片上捕获声波和光的新技术

图：多层氮化硅波导中的声导布里渊散射。（A） 多层氮化硅波导的艺术表现，显示了氮化硅层之间声波引导的增强后向SBS过程。（B） 分别模拟了SDS和ADS波导的光学模式和声学响应。SDS和ADS是多层氮化硅波导的两种变体。（C） 计算了标准SDS和ADS波导的布里渊增益系数。SDS波导显示出增强SBS，其增益系数是之前在氮化硅中的三到五倍，而ADS波导显示抑制SBS。来源：Science Advances (2022).

       近几十年来，芯片和电子设备变得更小、更快。工程师们已经接近传统电子学的极限，现在正在从电子学过渡到光子学，用光代替电子。在这种趋势下，出现了各种新的挑战。例如，微小的干扰或量子效应可能会扭曲信号并使其无法使用。现在，Twente大学的一个研究团队提供了一种新的解决方案。

       光信号的滤波、放大和处理对于发展新的通信技术、量子光学和传感器至关重要。有效地做到这一点的一个方法是使用一种称为受激布里渊散射的相干光机相互作用技术。在这种技术中，两个精细调谐的激光器产生频率比人类听觉阈值高100万倍的声波，并将其捕获在波导中。通过波导传输的光与声波相互作用，声波将反射光谱中非常小的特定部分；有效过滤信号。

       领导非线性纳米光子学研究小组的David Marpaung教授说：“尽管布里渊散射在过去几年里得到了广泛的研究，但它永远无法在适合我们日常生活的芯片上可靠地实现。”。“将声波捕获在波导中足够长的时间，已被证明是非常困难的。‘声泄漏’是传统硅基平台中的一个大问题，阻止了强布里渊相互作用。而且替代材料通常不稳定、脆弱甚至有毒。”

多层氮化硅波导的突破

       Twente大学的研究团队使用低损耗多层氮化硅（Si3N4）纳米光子电路来限制光波和声波。这些光路由50厘米长的螺旋波导组成。这种设计可以捕捉声波，并防止使用单个氮化硅芯时发生的声泄漏。除了在实验中取得了令人鼓舞的结果外，研究人员还对概念和其他实验进行有效的验证。该论文的第一作者Roel Botter说：“我们展示了一种射频抵消陷波滤波器，结果显示，未来氮化硅芯片上的受激布里渊散射具有巨大潜力。”

       Marpaung补充道：“我们的研究使在大型电路中集成受激布里渊散射成为可能。这些新芯片可以与其他新兴技术集成，例如可调谐激光器、频率梳和可编程光子电路，这可能会使它们在未来的发展中，从电信到量子计算等领域发挥作用。”

       这篇研究论文发表在《Science Advances》，是相关研究人员对氮化硅光子电路中受激布里渊散射可行性进行了4年研究的结果。

[1] Roel Botter et al, Guided-acoustic stimulated Brillouin scattering in silicon nitride photonic circuits, Science Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq2196