受激布里渊散射在集成光子芯片上的大规模应用

“能从一个中部省份的乡村学生到华中科技大学读书，再到获得欧洲高校的全奖PhD职位；能从一个26个字母都念不全的农村小孩，到和世界各国的研究人员开展应用物理的研究，对我自己而言已经足够亮眼了。”湖北赤壁青年叶开轩表示。

图|叶开轩（来源：叶开轩）

目前，他在荷兰屯特大学非线性纳米光子学课题组读博。不久前，他和所在团队利用双层氮化硅波导结构，解决了传统集成光子工艺中无法同时束缚光波和声波的难题。利用这一结构，他们有效提升了氮化硅波导的受激布里渊散射效应，并展示了其在微波光子滤波器中的潜在应用。

值得一提的是，其在本工作中所采用的波导结构，可以在完全标准化的大规模氮化硅集成光子工艺中实现，为在大规模光子芯片中集成布里渊波导器件提供了可能。

利用此次发现的受激布里渊响应，可以在氮化硅集成光学平台上设计超窄线宽的半导体激光器、集成陀螺仪芯片、片上原子钟、全集成的微波光子处理芯片等。

其中，集成陀螺仪芯片可用于卫星导航、手机里的重力传感等。由于该成果建立在一个已经非常成熟的氮化硅集成光学工艺上，这就意味着以上所提到的应用，非常有望在较短时间内进行大规模量产，并能提供非常优异的性能。

（来源：课题组）

2022年是受激布里渊散射被发现的一百周年，其由法国物理学家莱昂·布里渊（LéonBrillouin）提出。近几年，在集成光学芯片领域受到了越来越多的重视。

作为最强的一种非线性光学效应，受激布里渊散射已在激光器、传感器、微波光子等领域取得了重大应用。

尽管如此，它仍然是一门蓬勃发展中的学科。尤其是近几年，针对受激布里渊散射在集成光子芯片上的探索，涌现出了一大批激动人心的成果。

“因此希望我们的工作能吸引更多课题组的关注，共同推动集成布里渊芯片的大规模应用。”叶开轩说。

图|芯片实拍图（来源：课题组）

推动集成布里渊芯片的大规模应用

受激布里渊散射作为“光-机械”作用的一种形式，在针对它的研究中，人们一般关注光与GHz声波之间的交互。受激布里渊散射的基本原理为：在声波的辅助下，一个频率下的光被散射到约10GHz以外的另一个频率下。

受激布里渊散射具有非常高的频率选择性，散射光的带宽通常仅有MHz级别。由于这一特性，可以利用受激布里渊散射制造超窄线宽的半导体激光器、超高精度的传感器、以及超窄带宽的微波光子滤波器等。

早年间，在长距离光纤（千米级别）中，受激布里渊散射得到了广泛研究。但近几年来越来越多的课题组想在厘米尺度的集成光子芯片中观察、甚至应用布里渊散射。

目前，已有文献展示了在硫系玻璃、硅波导等平台中的受激布里渊响应。尽管这些平台各有优势，但是它们要么涉及到非常规、甚至有毒的材料（硫系玻璃），要么需要用到悬空的结构（硅波导）。

这导致在已有文献中，人们仅仅展示了单一的布里渊器件，很难将它和其他光子器件集成在同一块芯片上。

另据悉，氮化硅集成光子工艺近年来已经发展得日益成熟。其超低传播损耗的特性，使大规模集成光子芯片成为可能。

然而，标准氮化硅工艺的受激布里渊散射，仍在处于早期研究的阶段。由于无法同时实现对光波和声波的束缚，此前人们在氮化硅波导中观察到的受激布里渊散射非常微弱。

而此次成果解决了上述问题。近日，相关论文以《氮化硅光子电路中的引导声受激布里渊散射》（Guided-acousticstimulatedBrillouinscatteringinsiliconnitridephotoniccircuits）为题发表在ScienceAdvances上[1]。叶开轩是论文作者之一，荷兰屯特大学激光物理与非线性光学教授大卫·马邦（DavidMarpaung）担任通讯作者。

图|相关论文（来源：ScienceAdvances）

一切起源于一次即兴讨论

叶开轩表示：“该研究最早起源于我的博士导师大卫还在悉尼大学时和他当时的同事刘阳博士（现在在瑞士洛桑联邦理工EPFL做博士后）的一次即兴讨论。”

当时，他们主要利用硫系玻璃做受激布里渊微波光子滤波器方面的研究。但是，由于硫系玻璃这种材料非常不稳定并且有很强的毒性，所以大家一直在思考是否有更加成熟的替代材料。

后来，大卫回荷兰以后独立组建实验室，安排的第一个博士项目就是测量实验室里氮化硅波导的受激布里渊响应。

当时一切都是从零开始，光是搭建第一个可以测量受激布里渊散射的实验台，就几乎花费整整一年。

图|芯片在传导红色激光时的照片（来源：课题组）

然而，最初的实验结果非常不理想。后来，大家改为对受激布里渊散射波导进行有限元建模，借此分析实验失败的原因。

由于氮化硅波导的性质非常特殊，传统的基于本征模的有限元分析在其设计中并不适用。于是，他们又耗时一年多，搭建了一个基于光力响应的有限元分析模型。

后来，经过不断的优化实验与仿真、以及大量阅读文献，终于用锁相放大器测出了双层氮化硅波导的受激布里渊响应。

（来源：课题组）

测出信号之后，他们并不满足于此，又想进一步尝试利用已测量出来的微弱信号，做一些更加具体的应用。“我们一共尝试了四五个方向，最后终于实现了一个超窄线宽的微波光子滤波器。”叶开轩说。

（来源：课题组）

在实验后期，大家基本已能测量出氮化硅波导的受激布里渊响应。但是，为了进一步说明这种结构的潜在应用，还得设计更多实验来证明它的有效性。

为此，大卫教授发动组里所有博士生和硕士生，专门成立一个特别项目小组。当时他们讨论了多个可能的实验方向，然后大家各司其职、分别负责一个实验。为了加快实验进度，课题组还创建一个网页来跟踪实验进展。

叶开轩说：“那几周里大家都齐心协力，知无不言、言无不尽，不计较个人得失，也完全没有任何对于实验结果的遮遮掩掩。大家开放包容的合作态度，让我有一种由衷的归属感和亲切感，也让我对‘科学’这一概念有了全新的理解。”

（来源：课题组）

事后来看，本工作也是该团队在受激布里渊集成光学芯片研究上的一次总结，更是后续研究的重要铺垫。

由于本工作首次在大规模集成光学平台上实现了受激布里渊散射，并且所采用的理论模型和实验结果吻合得非常好。因此对于把这一模型集成到其他材料或结构上，他们有充足的信心。如能实现，则可借此实现更高效的受激布里渊散射。

（来源：课题组）

另外，本工作仅仅展示了该结构在受激布里渊微波光子滤波器中的应用。而在理论上，受激布里渊散射在很多其他领域都有着重要应用。因此，课题组计划在该平台上设计一个微环结构，来探索在制备超窄带宽半导体激光器的可能性。

另据悉，此次所展示的受激布里渊微波光子滤波器中的微环、以及受激布里渊波导，位于两块不同的氮化硅芯片上。

所以，他们计划设计如下一款芯片：同时集成微环、受激布里渊波导、以及激光谐振腔，并计划将该芯片和另一块集成半导体光放大器、光电二极管、以及电光调制器的磷化铟芯片封装在一起，真正实现一个全集成的微波光子信号处理系统。

“集成电路设计沾边专业一下子火了起来”

如前所述，叶开轩本科就读于华中科技大学，专业为微电子科学与工程。他说：“记得当年填报志愿时都没听过微电子，完全是因为分数刚好够。那时（2015年）美国对中国在芯片上的出口限制还没有那么严格，社会上对芯片、集成电路的讨论也非常少，而在学院内部也是一样。”

他说，微电子是当时学院里最小的一个专业，因为不受重视似乎课程都安排得又少又简单。那段时间，叶开轩总感觉如果本科学得太少等于是浪费时间，所以几乎每天都想转到学院里最难的光学工程专业。

后来转专业遭遇失败，正好做集成电路设计的谭旻教授加入该学院。他就抱着试试看的心态给谭旻发邮件，申请做后者的学生。后来如愿加入该课题组，期间叶开轩和所在团队设计了几款可用于传统芯片电源管理的功率集成电路，也申请了几则专利，并在国内外会议以及集成电路设计期刊上发表了几篇论文。

他说：“那几年正值美国要对华为进行制裁，并且限制整个中国集成电路产业发展，所以任何跟集成电路设计沾边的专业都一下子火了起来。但是经过几年的研究之后我却逐渐意识到，传统集成电路已经是一个高度成熟的行业了，就研究而言很难再有突破性的创新。”

另一方面，所谓的“集成”并不是仅仅局限于电学信号，量子、光子、声子等其他的信号形式，理论上都能以某种方式集成在芯片上。

尤其是光学信号，由于光学信号的频率远远高于传统电学信号的频率，这让集成光学芯片可以获得远高于最先进的电学芯片的信号处理速率。

图|本次论文所采用的双层氮化硅波导工艺所提出的全集成受激布里渊微波光子信号处理系统（来源：课题组）

总的来说，集成光学芯片领域方兴未艾，而叶开轩正好有一定的集成电路设计经验。所以从2021年在华中科技大学获得硕士学位之后，他申请到荷兰屯特大学非线性纳米光学课题组的博士职位，从事非线性集成光学芯片方面的研究。

对于未来他表示：“我目前最大的打算，就是打算在接下来的三年里，潜下心来把非线性光学集成芯片这门学科吃透。通过自己的不懈努力成长为一位科学家，从而能有机会和领域内的顶尖课题组或公司展开合作。”