科學(xué)家用氮化硅波導，在大規模集成光路中利用聲子操縱光的可行性
“能從一個(gè)中部省份的村落學(xué)生到華中科技大學(xué)讀書(shū)，再到獲得歐洲高校的全獎 PhD 職位；能從一個(gè) 2* 個(gè)字母都念不全的農村小孩，到和世界列國的研究人員開(kāi)展應用物理的研究，對我本身而言已經(jīng)足夠亮眼了。”湖北赤壁青年葉開(kāi)軒暗示。
圖 | 葉開(kāi)軒（來(lái)源：葉開(kāi)軒）
目前，他在荷蘭屯特大學(xué)非線(xiàn)性納米光子學(xué)課題組讀博。不久前，他和所在團隊操縱雙層氮化硅波導構造，處理了傳統集成光子工藝中無(wú)法同時(shí)束縛光波和聲波的難題。操縱那一構造，他們有效提拔了氮化硅波導的受激布里淵散射效應，并展現了其在微波光子濾波器中的潛在應用。
值得一提的是，其在本工做中所接納的波導構造，能夠在完全尺度化的大規模氮化硅集成光子工藝中實(shí)現，為在大規模光子芯片中集成布里淵波導器件供給了可能。
操縱此次發(fā)現的受激布里淵響應，能夠在氮化硅集成光學(xué)平臺上設想超窄線(xiàn)寬的半導體激光器、集成陀螺儀芯片、片上原子鐘、全集成的微波光子處置芯片等。
此中，集成陀螺儀芯片可用于衛星導航、手機里的重力傳感等。因為該功效成立在一個(gè)已經(jīng)十分成熟的氮化硅集成光學(xué)工藝上，那就意味著(zhù)以上所提到的應用，十分有望在較短時(shí)間內停止大規模量產(chǎn)，并能供給十分優(yōu)良的性能。
（來(lái)源：課題組）
2022 年是受激布里淵散射被發(fā)現的一百周年，其由法國物理學(xué)家萊昂·布里淵（Léon Brillouin）提出。近幾年，在集成光學(xué)芯片范疇遭到了越來(lái)越多的重視。
做為最強的一種非線(xiàn)性光學(xué)效應，受激布里淵散射已在激光器、傳感器、微波光子等范疇獲得了嚴重應用。
雖然如斯，它仍然是一門(mén)興旺開(kāi)展中的學(xué)科。尤其是近幾年，針對受激布里淵散射在集成光子芯片上的摸索，涌現出了一多量沖動(dòng)人心的功效。
“因而希望我們的工做能吸引更多課題組的存眷，配合鞭策集成布里淵芯片的大規模應用。”葉開(kāi)軒說(shuō)。
圖 | 芯片實(shí)拍圖（來(lái)源：課題組）
鞭策集成布里淵芯片的大規模應用
受激布里淵散射做為“光-機械”感化的一種形式，在針對它的研究中，人們一般存眷光與 GHz 聲波之間的交互。受激布里淵散射的根本原理為：在聲波的輔助下，一個(gè)頻次下的光被散射到約 *0GHz 以外的另一個(gè)頻次下。
受激布里淵散射具有十分高的頻次選擇性，散射光的帶寬凡是僅有 MHz 級別。因為那一特征，能夠操縱受激布里淵散射造造超窄線(xiàn)寬的半導體激光器、超高精度的傳感器、以及超窄帶寬的微波光子濾波器等。
早年間，在長(cháng)間隔光纖（千米級別）中，受激布里淵散射得到了普遍研究。但近幾年來(lái)越來(lái)越多的課題組想在厘米標準的集成光子芯片中察看、以至應用布里淵散射。
目前，已有文獻展現了在硫系玻璃、硅波導等平臺中的受激布里淵響應。雖然那些平臺各有優(yōu)勢，但是它們要么涉及到十分規、以至有毒的質(zhì)料（硫系玻璃），要么需要用到懸空的構造（硅波導）。
那招致在已有文獻中，人們僅僅展現了單一的布里淵器件，很難將它和其他光子器件集成在統一塊芯片上。
另?yè)?，氮化硅集成光子工藝近年?lái)已經(jīng)開(kāi)展得日益成熟。其超低傳布損耗的特征，使大規模集成光子芯片成為可能。
然而，尺度氮化硅工藝的受激布里淵散射，仍在處于早期研究的階段。因為無(wú)法同時(shí)實(shí)現對光波和聲波的束縛，此前人們在氮化硅波導中察看到的受激布里淵散射十分微弱。
而此次功效處理了上述問(wèn)題。近日，相關(guān)論文以《氮化硅光子電路中的引導聲受激布里淵散射》（Guided-acoustic stimulated Brillouin scattering in silicon nitride photonic circuits）為題頒發(fā)在 Science Advances 上[*]。葉開(kāi)軒是論文做者之一，荷蘭屯特大學(xué)激光物理與非線(xiàn)性光學(xué)傳授大衛·馬邦（David Marpaung）擔任通信做者。
圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Science Advances）
一切起源于一次即興討論
葉開(kāi)軒暗示：“該研究最早起源于我的博士導師大衛還在悉尼大學(xué)時(shí)和他其時(shí)的同事劉陽(yáng)博士（如今在瑞士洛桑聯(lián)邦理工 EPFL 做博士后）的一次即興討論。”
其時(shí)，他們次要操縱硫系玻璃做受激布里淵微波光子濾波器方面的研究。但是，因為硫系玻璃那種質(zhì)料十分不不變而且有很強的毒性，所以各人不斷在思慮能否有愈加成熟的替代質(zhì)料。
后來(lái)，大衛回荷蘭以后獨立組建嘗試室，擺設的第一個(gè)博士項目就是丈量嘗試室里氮化硅波導的受激布里淵響應。
其時(shí)一切都是從零起頭，光是搭建第一個(gè)能夠丈量受激布里淵散射的嘗試臺，就幾乎破費整整一年。
圖 | 芯片在傳導紅色激光時(shí)的照片（來(lái)源：課題組）
然而，最后的嘗試成果十分不睬想。后來(lái)，各人改為對受激布里淵散射波導停止有限元建模，借此闡發(fā)嘗試失敗的原因。
因為氮化硅波導的性量十分特殊，傳統的基于本征模的有限元闡發(fā)在其設想中其實(shí)不適用。于是，他們又耗時(shí)一年多，搭建了一個(gè)基于光力響應的有限元闡發(fā)模子。
后來(lái)，顛末不竭的優(yōu)化嘗試與仿實(shí)、以及大量閱讀文獻，末于用鎖相放大器測出了雙層氮化硅波導的受激布里淵響應。
（來(lái)源：課題組）
測出信號之后，他們其實(shí)不滿(mǎn)足于此，又想進(jìn)一步測驗考試操縱已丈量出來(lái)的微弱信號，做一些愈加詳細的應用。“我們一共測驗考試了四五個(gè)標的目的，最初末于實(shí)現了一個(gè)超窄線(xiàn)寬的微波光子濾波器。”葉開(kāi)軒說(shuō)。
（來(lái)源：課題組）
在嘗試后期，各人根本已能丈量出氮化硅波導的受激布里淵響應。但是，為了進(jìn)一步申明那種構造的潛在應用，還得設想更多嘗試來(lái)證明它的有效性。
為此，大衛傳授策動(dòng)組里所有博士生和碩士生，專(zhuān)門(mén)成立一個(gè)出格項目小組。其時(shí)他們討論了多個(gè)可能的嘗試標的目的，然后各人各司其職、別離負責一個(gè)嘗試。為了加快嘗試進(jìn)度，課題組還創(chuàng )建一個(gè)網(wǎng)頁(yè)來(lái)跟蹤嘗試停頓。
葉開(kāi)軒說(shuō)：“那幾周里各人都齊心協(xié)力，知無(wú)不言、言無(wú)不盡，不計較小我得失，也完全沒(méi)有任何關(guān)于嘗試成果的遮遮掩掩。各人開(kāi)放包涵的合做立場(chǎng)，讓我有一種由衷的歸屬感和親熱感，也讓我對‘科學(xué)’那一概念有了全新的理解。”
（來(lái)源：課題組）
過(guò)后來(lái)看，本工做也是該團隊在受激布里淵集成光學(xué)芯片研究上的一次總結，更是后續研究的重要鋪墊。
因為本工做初次在大規模集成光學(xué)平臺上實(shí)現了受激布里淵散射，而且所接納的理論模子和嘗試成果吻合得十分好。因而關(guān)于把那一模子集成到其他質(zhì)料或構造上，他們有充沛的自信心。如能實(shí)現，則可借此實(shí)現更高效的受激布里淵散射。
（來(lái)源：課題組）
別的，本工做僅僅展現了該構造在受激布里淵微波光子濾波器中的應用。而在理論上，受激布里淵散射在良多其他范疇都有著(zhù)重要應用。因而，課題組方案在該平臺上設想一個(gè)微環(huán)構造，來(lái)摸索在造備超窄帶寬半導體激光器的可能性。
另?yè)?，此次所展現的受激布里淵微波光子濾波器中的微環(huán)、以及受激布里淵波導，位于兩塊差別的氮化硅芯片上。
所以，他們方案設想如下一款芯片：同時(shí)集成微環(huán)、受激布里淵波導、以及激光諧振腔，并方案將該芯片和另一塊集成半導體光放大器、光電二極管、以及電光調造器的磷化銦芯片封拆在一路，實(shí)正實(shí)現一個(gè)全集成的微波光子信號處置系統。
“集成電路設想沾邊專(zhuān)業(yè)一會(huì )兒火了起來(lái)”
如前所述，葉開(kāi)軒本科就讀于華中科技大學(xué)，專(zhuān)業(yè)為微電子科學(xué)與工程。他說(shuō)：“記適當年填報意愿時(shí)都沒(méi)聽(tīng)過(guò)微電子，完滿(mǎn)是因為分數剛好夠。那時(shí)（20** 年）美國對中國在芯片上的出口限造還沒(méi)有那么嚴酷，社會(huì )上對芯片、集成電路的討論也十分少，而在學(xué)院內部也是一樣。”
他說(shuō)，微電子是其時(shí)學(xué)院里最小的一個(gè)專(zhuān)業(yè)，因為不受重視似乎課程都擺設得又少又簡(jiǎn)單。那段時(shí)間，葉開(kāi)軒總覺(jué)得若是本科學(xué)得太少等于是浪費時(shí)間，所以幾乎每天都想轉到學(xué)院里最難的光學(xué)工程專(zhuān)業(yè)。
后來(lái)轉專(zhuān)業(yè)遭遇失敗，正好做集成電路設想的譚旻傳授參加該學(xué)院。他就抱著(zhù)碰運氣的心態(tài)給譚旻發(fā)郵件，申請做后者的學(xué)生。后來(lái)如愿參加該課題組，期間葉開(kāi)軒和所在團隊設想了幾款可用于傳統芯片電源辦理的功率集成電路，也申請了幾則專(zhuān)利，并在國表里會(huì )議以及集成電路設想期刊上頒發(fā)了幾篇論文。
他說(shuō)：“那幾年正值美國要對華為停止造裁，而且限造整個(gè)中國集成電路財產(chǎn)開(kāi)展，所以任何跟集成電路設想沾邊的專(zhuān)業(yè)都一會(huì )兒火了起來(lái)。但是顛末幾年的研究之后我卻逐步意識到，傳統集成電路已經(jīng)是一個(gè)高度成熟的行業(yè)了，就研究而言很難再有打破性的立異。”
另一方面，所謂的“集成”并非僅僅局限于電學(xué)信號，量子、光子、聲子等其他的信號形式，理論上都能以某種體例集成在芯片上。
尤其是光學(xué)信號，因為光學(xué)信號的頻次遠遠高于傳統電學(xué)信號的頻次，那讓集成光學(xué)芯片能夠獲得遠高于更先進(jìn)的電學(xué)芯片的信號處置速度。
圖 | 本次論文所接納的雙層氮化硅波導工藝所提出的全集成受激布里淵微波光子信號處置系統（來(lái)源：課題組）
總的來(lái)說(shuō)，集成光學(xué)芯片范疇方興日盛，而葉開(kāi)軒正好有必然的集成電路設想經(jīng)歷。所以從 202* 年在華中科技大學(xué)獲得碩士學(xué)位之后，他申請到荷蘭屯特大學(xué) 非線(xiàn)性納米光學(xué)課題組的博士職位，處置非線(xiàn)性集成光學(xué)芯片方面的研究。
關(guān)于將來(lái)他暗示：“我目前更大的籌算，就是籌算在接下來(lái)的三年里，潛下心來(lái)把非線(xiàn)性光學(xué)集成芯片那門(mén)學(xué)科吃透。通過(guò)本身的不懈勤奮生長(cháng)為一位科學(xué)家，從而能有時(shí)機和范疇內的頂尖課題組或公司展開(kāi)合做。”
參考材料：
*.Botter, R., Ye, K., Klaver, Y., Suryadharma, R., Daulay, O., Liu, G., ... Marpaung, D. (2022). Guided-acoustic stimulated Brillouin scattering in silicon nitride photonic circuits. Science advances, 8(*0), eabq2*9*.
