北京大學(xué)在片上聲光相互作用方面取得新進(jìn)展

布里淵散射是一種源于光子-聲子耦合的非線性效應(yīng)。自1922年被提出及1964年被實(shí)驗(yàn)觀測后，基于布里淵散射的窄線寬激光器、微波光子濾波器、快慢光技術(shù)、分布式傳感系統(tǒng)以及光學(xué)非互易器件等已在信號處理、微波光子學(xué)等多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著集成光子技術(shù)的發(fā)展，可以通過片上波導(dǎo)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)對光學(xué)和聲學(xué)模式的獨(dú)立操控，大幅增強(qiáng)光波與聲波的相互作用。然而，如何實(shí)現(xiàn)低損耗、可操控性強(qiáng)且制造工藝簡便的聲波導(dǎo)，仍是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

近期，北京大學(xué)電子學(xué)院、區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室微波光子學(xué)研究團(tuán)隊(duì)首次提出一種片上反諧振聲波導(dǎo)的新范式，實(shí)現(xiàn)了對聲學(xué)模式的靈活操縱與選擇，獲得了片上聲光相互作用關(guān)鍵指標(biāo)的新突破。2024年5月8日，相關(guān)研究成果以《反諧振聲學(xué)波導(dǎo)賦能片上布里淵散射》（“Anti-resonant acoustic waveguides enabled tailorable Brillouin scattering on chip”）為題，在線發(fā)表于《自然·通訊》(Nature Communications)。

反諧振聲波導(dǎo)的工作原理如圖（a）頂部所示。為了將聲場有效限制在聲速較快的中間層，可通過調(diào)節(jié)聲速較慢的側(cè)邊層來實(shí)現(xiàn)反諧振反射。此時聲波被反射回中間層，形成圖（a）中黑色實(shí)線所示的聲場分布；這一機(jī)制與光學(xué)中的法布里-珀羅諧振腔（下稱“F-P腔”）類似，通過調(diào)節(jié)F-P腔的長度以實(shí)現(xiàn)反諧振狀態(tài)。不同的聲速層可由硅、二氧化硅等不同的材料層構(gòu)成，然而，在芯片上構(gòu)建這種橫向多層結(jié)構(gòu)頗具挑戰(zhàn)。為此，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新穎的解決策略，即在中心波導(dǎo)兩側(cè)刻蝕出寬度為t的空氣槽【見圖（a）】，使得空氣與固體之間的界面產(chǎn)生幾何軟化，降低了其有效聲速，從而構(gòu)建出反諧振反射層。

反諧振聲波導(dǎo)：（a）原理圖、（b）示意圖、（c）實(shí)物圖

基于這一原理，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計出由中心波導(dǎo)和雙側(cè)的兩組蝕刻槽構(gòu)成的懸浮反諧振聲波導(dǎo)（如圖（b）所示），整個懸浮結(jié)構(gòu)由一系列懸臂支撐。隨后，研究團(tuán)隊(duì)在絕緣襯底上的硅（SOI）平臺取得了受激布里淵散射領(lǐng)域的系列突破性成果：在前向布里淵方面，實(shí)現(xiàn)了6.4dB的凈增益；在后向布里淵方面，在硅波導(dǎo)中觀測到了前所未有的27.6GHz的頻移及高達(dá)1960的聲學(xué)品質(zhì)因數(shù)。這種新型聲學(xué)波導(dǎo)將進(jìn)一步推進(jìn)片上聲光相互作用的發(fā)展，為光力學(xué)、聲子電路、混合量子系統(tǒng)等領(lǐng)域帶來新的發(fā)展機(jī)遇。

論文的第一作者為北京大學(xué)電子學(xué)院2019級博士研究生雷鵬，電子學(xué)院、區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室解曉鵬助理教授和陳章淵教授，博士研究生許銘煜、白云慧參與了相關(guān)研究工作和論文撰寫，解曉鵬為通信作者。

上述研究成果得到國家自然科學(xué)基金、區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京大學(xué)實(shí)驗(yàn)區(qū)）“先進(jìn)光子集成”公共平臺的支持。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-48123-5