硅基光电子中受激布里渊散射技术进展

引言

硅基光电子技术通过其与CMOS工艺的兼容性和高度集成特性，在光通信和传感领域取得了重大突破。受激布里渊散射（SBS）作为光学波和吉赫兹声学波之间的相互作用，在这一领域展现出独特优势。本文探讨硅绝缘体（SOI）平台中SBS技术的最新进展，特别关注非悬浮超低损耗厚SOI平台的开发[1]。

1

受激布里渊散射原理

受激布里渊散射是一种基本的光机械相互作用，当光波和声波在介质中相互作用时产生。这一过程会在兆赫兹范围内形成超窄线宽增益窗口，其特征频率位移在吉赫兹范围。这种现象在窄线宽激光器、微波光子滤波器和低噪声微波信号发生器等应用中具有重要作用。

图1：SOI平台中SBS技术实现方案的演进，包括纳米线柱状结构、悬浮薄膜结构和非悬浮厚SOI波导结构。图中展示了传统纳米线和厚SOI平台中的电场和位移场分布。

2

声波限制的技术挑战

在硅基光电子技术中实现SBS的主要挑战之一是声波的限制。在传统SOI平台中，由于硅中的声速高于二氧化硅衬底，声波容易泄漏到衬底中。这种泄漏现象历来限制了SBS在硅基光子器件中的效果。

图2：厚SOI波导中声波限制的详细分析，展示了声学模式的色散图和模拟位移场。图中显示了纵向声学模式如何通过近掠入射角实现限制，而混合模式导致声波泄漏。

3

厚SOI平台设计创新

厚SOI平台的开发在解决声波限制挑战方面实现了重大进展。这些平台使用3微米厚的硅层，相比传统薄SOI平台具有以下优势：

• 增强声波限制：增加的厚度使光学和声学模式能够更好地限制在波导核心区域。
• 降低传输损耗：厚SOI平台实现了超低传输损耗，最低可达2.7 dB/m。
• 提高功率处理能力：更大的模式面积减少了双光子吸收和自由载流子吸收导致的非线性损耗。
  

图3：厚SOI波导在实际器件中的实现，包括米级长度的螺旋波导和收发微环谐振器。图中还展示了平台低损耗性能的谐振特性表征。

4

实验验证与结果

厚SOI平台中SBS的实验验证取得了良好结果。研究人员使用三重强度调制泵浦-探测装置，展示了明显的SBS信号：

图4：实验装置和不同波导结构的SBS信号测量结果，显示了波导尺寸与布里渊增益系数之间的关系。

5

未来发展方向与优化

厚SOI平台中SBS的发展为实际应用创造了新机会。目前的研究重点是优化波导尺寸，以在保持厚SOI平台优势的同时实现更高的布里渊增益系数。

图5：优化研究显示了波导尺寸与布里渊增益系数之间的关系，展示了声波限制和有效模式面积之间的权衡。

非悬浮厚SOI平台中SBS的成功实现标志着硅基光子技术的重要进展。这一成果为需要高功率处理和低传输损耗的集成光子器件提供了新的技术方案。该平台与标准CMOS制造工艺的兼容性使其在大规模集成和商业应用方面具有优势。

厚SOI平台中高布里渊增益系数和超低光学损耗的结合为未来受激布里渊激光器和纯毫米波信号产生等应用提供了可能。随着技术的不断发展，这些独特技术将在从电信到光量子计算等多个领域得到更广泛应用。

参考文献

[1] K. Ye, A. Keloth, Y. E. Marin, M. Cherchi, T. Aalto, and D. Marpaung, "Stimulated Brillouin scattering in a non-suspended ultralow-loss thick-SOI platform," APL Photonics, vol. 10, no. 026108, pp. 1-6, Feb. 2025, doi: 10.1063/5.0246281

END