薄膜铌酸锂如何“玩转”布里渊光子学

摘要：而没有包层的区域，和其他部分单片集成后，给这个平台解锁了新的SBS功能，能进行窄带宽射频信号处理、通过布里渊激光器产生高纯度射频信号，还能实现高选择性光放大。

*本文只做阅读笔记分享*

一、TFLN布里渊光子学引擎

朋友们，咱们来了解下薄膜铌酸锂（TFLN）布里渊光子学引擎。大家看这张示意图，这就是设想中的单片TFLN布里渊光子电路。

在有包层的区域，集成了高性能组件，像能实现高速微波到光波转换的电光调制器，还有用于可编程信号处理的低损耗可调谐环形谐振器。

而没有包层的区域，和其他部分单片集成后，给这个平台解锁了新的SBS功能，能进行窄带宽射频信号处理、通过布里渊激光器产生高纯度射频信号，还能实现高选择性光放大。

研究人员制作的TFLN电路，用的是晶圆级紫外步进光刻系统。这里的波导是半蚀刻的，宽度1.5μm，这样的设计是为了在紧密的光模式限制和低传播损耗之间找到平衡。

而且这种标准波导结构特别厉害，能把高速TFLN调制器、长达几厘米的SBS有源螺旋线，还有高品质因数的谐振器，都集成在同一块芯片上。

没包层的结构还有个好处，能让表面声波和光模式有很强的重叠，这样就能在这个平台上获得显著的SBS增益。

二、TFLN中与角度相关的强SBS

下面讲讲TFLN中与角度相关的强SBS。利用铌酸锂材料本身的各向异性，在Z切和X切的未包层TFLN波导中都实现了很强的SBS增益。布里渊增益系数能衡量SBS的强度，它由光弹系数和光声重叠决定，而光声重叠需要声波限制。这两个参数都能通过改变波导相对于晶圆晶体取向的旋转角度来调整。

在特定的旋转角度下，能让表面声波被限制在TFLN波导中，实现很大的光声重叠。在这些角度，表面声波比二氧化硅包层中的声波传播速度慢，这样就能防止困扰体声波传播的声泄漏问题。

用不同旋转角度的Z切波导，验证了TFLN中显著的布里渊增益系数和与角度相关的SBS响应。

在20°波导中，布里渊增益系数达到84.9m−1W−1，和标准低损耗氮化硅平台相比，增强了200多倍。随着角度变化，增益系数会降低，在40°波导中降到25.6m−1W−1，在0°波导中进一步降到9.4m−1W−1。同时，布里渊频移也会从0°波导的8.36GHz，变到20°波导的8.14GHz，再到40°波导的7.92GHz。

在X切TFLN波导中，也能观察到同样强的SBS增益，而且很多高速、低驱动电压的片上调制器都是用X切TFLN做的。在X切TFLN平台利用SBS，能让SBS和片上调制器完全兼容，用于布里渊微波光子学应用。

从一个10cm长的X切0°螺旋波导实现了内部净增益放大，布里渊增益系数是29.3m−1W−1。当泵浦功率达到500mW时，SBS增益达到3dB，克服了2.2dB的固有传播损耗。目前测量的SBS增益受限于高耦合损耗、高泵浦功率下透镜光纤的不稳定性，还有光纤组件的功率处理限制。不过，通过优化耦合器设计，能实现片外净增益（解释优化原理），还能通过增加螺旋长度、降低波导传播损耗，进一步提高净SBS增益，让它成为光通信和无线电通信中独特的窄带放大器。

通过对比有和没有顶部二氧化硅包层的波导，从实验上验证了表面声波在增强SBS增益中的作用。X切0°未包层波导的布里渊增益系数，是包层波导（7.0m−1W−1）的四倍，因为包层抑制了表面声波。

控制SBS响应的光谱，对实现可调谐光滤波器和微波滤波器很有潜力。传统上，人们用多泵浦或者应变调节的方法来实现。在TFLN平台，我们通过在圆形螺旋波导中与体声波相互作用，塑造了超宽带SBS响应，线宽比同一平台上的表面声波SBS过程宽200倍。

两种不同线宽的SBS过程共存，让TFLN平台和其他表面声波SBS平台区分开来。通过选择性地与表面或体声波相互作用，利用各向异性SBS响应，TFLN平台能通过光刻控制的方法，为特定的基于布里渊的应用调整SBS线宽，比如用于光子/声子线宽变窄的可切换布里渊源，还有在过渡带具有陡峭滚降的平顶滤波器。

三、受激布里渊激光器

在TFLN平台，把SBS增益集成到高品质因数谐振器里，就能产生受激布里渊激光器（SBL）。在0°X切TFLN跑道形谐振器里实现了SBL，实验装置是这样的。这个谐振器的本征品质因数高达178万，自由光谱范围是8.57GHz，和0°X切TFLN波导的布里渊频移很匹配。

当把泵浦激光调到跑道形谐振器的谐振状态时，我们观察到了频率下移一个自由光谱范围的反向传播SBL信号。在不同的泵浦与谐振失谐频率下，还观察到了光的四波混频，以及四波混频和SBL信号共存的现象。

这些非线性动力学的变化，是由SBS和克尔非线性之间的相互作用，还有像耦合稳定性、温度波动、铌酸锂的热释电效应等外部因素引起的。虽然在二氧化硅微盘中研究过布里渊-克尔相互作用来产生孤子，但要对TFLN中的这些非线性相互作用，以及其他非线性效应的影响进行严格的理论分析，还需要更全面的建模。当泵浦功率低于SBL阈值功率时，还能观察到布里渊诱导透明现象。

TFLN波导的超低色散，让SBL有很宽的波长调谐范围。计算出的谐振器群速度色散非常低，这就保证了在很宽的波长范围内，自由光谱范围都能和布里渊频移紧密匹配。所以，SBL的波长能在1540-1567nm之间调谐，调谐范围主要受限于所使用的掺铒光纤放大器的工作带宽。

还对SBL的阈值功率和转换效率进行了表征。通过改变片上泵浦功率，估算出阈值功率是100mW，转换效率是3.4%。要是想进一步降低阈值功率，可以增大从总线波导到谐振器的耦合系数，让它接近临界耦合，还能应用耦合环分子结构来减小模式体积，这样也能降低阈值功率。

TFLN平台的SBL在产生高纯度射频信号方面很有前景。和之前在氮化硅、硫系化合物、块状铌酸锂中的演示不同，0°X切TFLN波导中20MHz的SBS线宽，比跑道形谐振器的线宽窄。这种独特的布里渊激光模式，能实现声子线宽变窄，从泵浦光和SBL的拍频中产生纯净的射频信号。我们测量了射频信号的单边带相位噪声，得出本征线宽是9.4Hz。

这就让TFLN平台的SBL成为紧凑型、低噪声射频振荡器的有力候选者。未来，利用激光稳定技术，比如光学参考腔或者Pound-Drever-Hall（PDH）锁相电路，能降低低频段的技术噪声。对于需要超低光学线宽的应用，TFLNSBL还可以由体声波SBS过程驱动，这时SBS线宽比谐振器的谐振线宽大。

四、多功能集成布里渊MWP处理器

把SBS增益和TFLN平台丰富的器件结合起来，做出了高性能的多功能集成布里渊微波光子处理器。高速电光调制器把宽带微波信号转换到光域。

在同一芯片上制作的级联可调谐微环，能把强度调制信号转换成多种调制格式，像相位调制、单边带调制、不对称双边带调制。同时，螺旋波导提供的SBS增益，能对边带进行超窄带选择性处理。把动态编程后的信号再转换回微波域，就能实现多种信号处理功能。

把一个可编程MWP电路（包含一个强度调制器和四个级联可调谐环）和一个10cm长的0°X切螺旋波导连接起来。通过把过耦合环的频率响应应用到强度调制信号的上边带，再用SBS增益补偿特定频率的幅度，就能做出高抑制比的陷波滤波器。

利用过耦合环的相位响应，把强度调制转换成相位调制，再通过SBS增益对上边带进行选择性放大，能得到消光比13dB的带通滤波器，或者带宽25MHz、抑制比大于47dB的陷波滤波器。

这个陷波滤波器在通带的链路增益是-40dB，通过降低耦合损耗、提高光电二极管处的光功率，还能进一步提升。另外，在下边带放置两个紧密间隔的临界耦合环，能在特定频率范围内把强度调制转换成单边带调制。在上边带应用SBS增益，就能实现大于4ns的射频真时延。

这次展示的基于布里渊的MWP处理器，把SBS有源波导、调制器、可调谐环集成在同一平台。未来进一步优化，把这些组件都单片集成在一块芯片上，能提高链路增益，改善噪声性能。

五、研究总结与展望

在这项研究里，利用铌酸锂材料的各向异性，在TFLN平台实现了强SBS。这么高的SBS增益，让TFLN成为开发多功能布里渊光子学引擎的理想平台。作为概念验证，在标准TFLN平台上实现了净增益布里渊放大器、产生了SBL，还设计出多功能基于布里渊的MWP处理器。

为了让性能更上一层楼，我们可以想办法把光纤和波导之间的耦合损耗，从现在的每面7dB降低到每面小于1dB，这可以通过专门的光斑尺寸转换器来实现。还能应用反谐振波导结构，通过更好地限制声波，进一步提高SBS增益。另外，采用耦合环分子设计，能降低布里渊激光器的阈值功率，提高转换效率，还能缩小器件尺寸。

把这个布里渊光子学引擎嵌入大规模TFLN电路，能带来前所未有的新应用。比如，利用窄的SBS线宽，可以做出紧凑型、高分辨率的布里渊光谱分析仪。在射频光子系统里，把SBS螺旋线和高速TFLN调制器、可调谐环集成在一块芯片上，能提高链路增益，降低噪声系数。而且，TFLN中的布里渊-克尔相互作用，可能会催生片上布里渊-克尔光梳。

六、一起来看看题吧

1、关于TFLN布里渊光子学引擎，下列说法正确的是

A.其包层区域主要实现窄带宽射频信号处理

B.波导采用全蚀刻工艺，宽度为1.5μm

C.未包层结构能使SAW与光模式强重叠，产生显著SBS增益

D.该引擎仅能实现单一的光学功能

2、在TFLN中，与角度相关的强SBS实验中，以下说法错误的是

A.Z切和X切未包层TFLN波导都能实现强SBS增益

B.20°Z切波导的布里渊增益系数比0°的低

C.X切0°未包层波导的布里渊增益系数高于包层波导

D.可以通过与体声波相互作用塑造超宽带SBS响应

3、关于TFLN平台中的受激布里渊激光器（SBL），下列描述正确的是