薄膜铌酸锂中的集成布里渊光子技术

引言

布里渊散射是一种通过光子和声子间的相干光机械相互作用产生的现象，正在为低噪声激光器和微波光子学带来新的可能。布里渊散射在集成光子技术中具有多种应用，包括信号处理、放大和滤波。然而，长期以来研究人员一直面临着寻找一个可扩展且高效的集成布里渊光子技术平台的挑战。最近的研究突破表明，薄膜铌酸锂(TFLN)平台能够解决这些长期存在的限制，为集成光子系统提供新的解决方案[1]。

1

薄膜铌酸锂布里渊光子引擎

薄膜铌酸锂平台具有优异的可扩展性、低光学损耗和高电光系数，使其成为先进光子应用的理想选择。研究人员开发了一种单片集成的薄膜铌酸锂布里渊光子线路，集成了包括片上调制器、可调谐环形谐振器和受激布里渊散射(SBS)活性螺旋波导在内的多种高性能构建块。

受激布里渊散射(SBS)正在为低噪声激光器和微波光子学带来新的应用。然而，找到一个可扩展且高效的集成布里渊光子技术平台一直是一个重要挑战。薄膜铌酸锂(TFLN)平台可以解决这些长期存在的限制。

图1：(A) 包含高速电光调制器、可调谐环形谐振器和SBS活性器件的TFLN线路示意图。(B) 扫描电子显微镜(SEM)图像：(i) 半蚀刻TFLN波导横截面，(ii) TFLN波导侧壁，(iii) 集成了多种组件的TFLN样品的显微镜图像。(C) x切0°TFLN波导的模拟SBS响应，显示(i)电场，(ii)位移场和(iii)增益系数分布。

薄膜铌酸锂线路是通过晶圆级紫外步进光刻系统制造的。波导采用半蚀刻工艺，宽度为1.5μm，这一设计实现了光模式紧密限制与低传播损耗之间的平衡。这种标准波导结构支持在单个芯片上集成高速薄膜铌酸锂调制器、厘米长的SBS活性螺旋波导和高品质因数谐振器。此外，无包层结构使表面声波(SAW)与光学模式有较强的重叠，从而在该平台上实现了显著的SBS增益。

2

角度依赖的强SBS响应

薄膜铌酸锂平台的一个显著特点是能够通过利用铌酸锂的本征各向异性实现强SBS增益。布里渊增益系数量化了SBS的强度，可以通过改变波导相对于晶圆晶体取向的旋转角度进行显著调整。

图2：(A) 包含不同角度(0°、20°、40°)波导的z切TFLN样品显微镜图像。(B) 使用锁相放大器测量的z切TFLN波导的SBS响应，显示不同角度下的不同增益系数。(C) SBS增益随片上泵浦功率的变化，在超过400mW的功率下实现了内部净增益放大。(D) 无包层和有包层x切TFLN波导的SBS响应比较，验证了SAW在增强SBS中的作用。(E) 来自圆形螺旋波导的SBS响应测量，展示了超过4GHz的带宽。

研究人员使用不同旋转角度的z切波导验证了显著的布里渊增益系数和角度依赖的SBS响应。在20°波导中，布里渊增益系数达到了84.9 m⁻¹W⁻¹，与标准低损耗氮化硅平台相比，这代表了超过200倍的增强。这一增益系数在40°波导中降至25.6 m⁻¹W⁻¹，在0°波导中进一步降至9.4 m⁻¹W⁻¹。同时，布里渊频移从0°波导中的8.36 GHz变为20°波导中的8.14 GHz和40°波导中的7.92 GHz。

在x切薄膜铌酸锂波导中也可以观察到同样强的SBS增益，这种波导常用于高速、低Vπ的片上调制器。这种兼容性使SBS能够与片上调制器集成，用于布里渊微波光子应用。研究人员从一个10厘米长的x切0°螺旋波导中实现了内部净增益放大，布里渊增益系数为29.3 m⁻¹W⁻¹。在500 mW的泵浦功率下，SBS增益达到3 dB，克服了2.2 dB的固有传播损耗。

通过比较有无顶部二氧化硅包层的波导，实验验证了表面声波(SAW)在增强SBS增益中的作用。x切0°无包层波导中的布里渊增益系数是有包层波导中观察到的7.0 m⁻¹W⁻¹的四倍，在有包层波导中SAW被抑制。模拟位移场进一步说明了SAW带来的改进声学限制。

除了窄带SAW SBS外，研究人员还通过在圆形螺旋波导中与体声波的相互作用，展示了超宽带SBS响应的调整。这使得带宽比同一平台上的SAW SBS过程宽200倍(达到4 GHz)。两种具有不同线宽的SBS过程的共存使其区别于其他SAW SBS平台。

3

受激布里渊激光器

通过将SBS增益集成到高品质因数谐振器中，研究人员在薄膜铌酸锂平台上实现了受激布里渊激光器(SBL)的产生。

图3：(A) SBL演示的实验设置。(B) 测量的赛道形谐振器光学传输谱，内部品质因数为1.78百万。(C-E) 在不同的泵浦-谐振器失谐频率下观察到的SBL、四波混频和布里渊-克尔相互作用的光谱。(F) 从1540到1567 nm的可广泛调谐SBL。(G) 测量的片上SBL功率与片上泵浦功率的关系，显示阈值功率为100 mW，转换效率为3.4%。(H) 测量的单边带相位噪声，固有线宽为9.4 Hz。

SBL是在0° x切薄膜铌酸锂赛道形谐振器中产生的，该谐振器具有1.78百万的高内部品质因数和8.57 GHz的自由光谱范围，与0° x切薄膜铌酸锂波导的布里渊频移非常匹配。通过将泵浦激光器调谐到赛道形谐振器的谐振，研究人员观察到了频率下移一个自由光谱范围的反向传播SBL信号。在不同的泵浦-谐振器失谐频率下，他们还观察到了光的四波混频(FWM)以及FWM和SBL信号的共存。

薄膜铌酸锂波导的超低色散使SBL具有宽波长调谐范围。谐振器的计算群速度色散(β₂)低至223 ps²/km (D₂/2π=−13.6 kHz)，确保自由光谱范围在宽波长范围内与布里渊频移紧密对齐。因此，SBL可以在1540至1567 nm范围内调谐，调谐范围主要受实验中使用的掺铒光纤放大器的操作带宽限制。

研究人员表征了SBL的阈值功率和转换效率。通过将片上泵浦功率从120 mW变化到270 mW，他们估计阈值功率为100 mW，转换效率为3.4%。他们还测量了从泵浦与SBL之间的拍频产生的RF信号的单边带相位噪声，提取出9.4 Hz的固有线宽。这表明薄膜铌酸锂平台上的SBL是紧凑型低噪声RF振荡器的有力候选。

4

多功能集成布里渊微波光子处理器

薄膜铌酸锂布里渊光子引擎最有希望的应用之一是开发高性能多功能集成布里渊微波光子(MWP)处理器。

图4：(A) 薄膜铌酸锂平台上多功能集成布里渊MWP处理器的概念示意图。(B-E) 不同MWP功能的演示：(B) 具有高抑制比的陷波滤波器，(C) 具有13 dB消光比的带通滤波器，(D) 具有47 dB抑制比和25 MHz带宽的替代陷波滤波器，(E) 4.5 ns的RF真时延。

通过将SBS增益与其他薄膜铌酸锂组件结合，研究人员展示了多种信号处理功能。在这种方法中，高速电光调制器将宽带微波信号转换到光学域。同一芯片上制造的级联可调谐微环可以调整为将强度调制信号转换为各种调制格式，包括相位调制、单边带调制和非对称双边带调制。同时，螺旋波导提供的SBS增益实现了对边带的超窄带选择性处理。

研究人员通过将可编程MWP线路（包括一个强度调制器和四个级联可调谐环）连接到10厘米长的0° x切螺旋波导，展示了各种MWP功能。通过将过耦合环的频率响应应用于强度调制信号的上边带，并用SBS增益补偿特定频率的幅度，他们展示了具有高抑制比的陷波滤波器。此外，通过将强度调制转换为相位调制并通过SBS增益选择性地放大上边带，他们实现了具有13 dB消光比的带通滤波器或具有25 MHz带宽和大于47 dB抑制比的陷波滤波器。此外，他们通过在下边带放置两个紧密间隔的临界耦合环并在相应的上边带应用SBS增益，展示了大于4 ns的RF真时延。

5

结论与未来展望

通过利用铌酸锂的各向异性，成功在薄膜铌酸锂平台上实现强SBS为集成光子技术开辟了新的方向。显著的SBS增益使薄膜铌酸锂成为开发多功能布里渊光子引擎的理想平台，该引擎能够实现多种功能，包括净增益布里渊放大器、SBL产生和多功能布里渊基微波光子处理。

为进一步提高性能，未来的发展可以集中在减少光纤和波导之间的耦合损耗，从每个端面7 dB降低到使用专用的点尺寸转换器实现每个端面低于1 dB。应用反共振波导结构可以通过改进的声学限制进一步增强SBS增益，并且采用耦合环分子设计可以允许布里渊激光器产生具有降低的阈值功率、改进的转换效率和更小的器件占用面积。

将此布里渊光子引擎嵌入大规模薄膜铌酸锂线路中，可以实现具有优异性能的新型应用，如紧凑型高分辨率布里渊光学频谱分析仪、具有更高链路增益和更低噪声系数的改进型RF光子系统，以及片上布里渊-克尔梳状频谱。

这项研究将SBS与先进的薄膜铌酸锂技术（如高速调制器和宽带光学频率梳）结合起来，为集成布里渊光子技术提供了新的范式，应用领域从电信到传感和信号处理不等。

参考文献

[1] K. Ye et al., "Integrated Brillouin photonics in thin-film lithium niobate," Science Advances, vol. 11, no. 18, Apr. 2025, Art. no. eadv4022, doi: 10.1126/sciadv.adv4022.

END