北京大学在片上声光相互作用方面取得新进展

布里渊散射是一种源于光子-声子耦合的非线性效应。自1922年被提出及1964年被实验观测后，基于布里渊散射的窄线宽激光器、微波光子滤波器、快慢光技术、分布式传感系统以及光学非互易器件等已在信号处理、微波光子学等多个领域得到了广泛应用。随着集成光子技术的发展，可以通过片上波导设计，实现对光学和声学模式的独立操控，大幅增强光波与声波的相互作用。然而，如何实现低损耗、可操控性强且制造工艺简便的声波导，仍是一项重大挑战。

近期，北京大学电子学院、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室微波光子学研究团队首次提出一种片上反谐振声波导的新范式，实现了对声学模式的灵活操纵与选择，获得了片上声光相互作用关键指标的新突破。2024年5月8日，相关研究成果以《反谐振声学波导赋能片上布里渊散射》（“Anti-resonant acoustic waveguides enabled tailorable Brillouin scattering on chip”）为题，在线发表于《自然·通讯》(Nature Communications)。

反谐振声波导的工作原理如图（a）顶部所示。为了将声场有效限制在声速较快的中间层，可通过调节声速较慢的侧边层来实现反谐振反射。此时声波被反射回中间层，形成图（a）中黑色实线所示的声场分布；这一机制与光学中的法布里-珀罗谐振腔（下称“F-P腔”）类似，通过调节F-P腔的长度以实现反谐振状态。不同的声速层可由硅、二氧化硅等不同的材料层构成，然而，在芯片上构建这种横向多层结构颇具挑战。为此，研究团队提出了一种新颖的解决策略，即在中心波导两侧刻蚀出宽度为t的空气槽【见图（a）】，使得空气与固体之间的界面产生几何软化，降低了其有效声速，从而构建出反谐振反射层。

反谐振声波导：（a）原理图、（b）示意图、（c）实物图

基于这一原理，研究团队设计出由中心波导和双侧的两组蚀刻槽构成的悬浮反谐振声波导（如图（b）所示），整个悬浮结构由一系列悬臂支撑。随后，研究团队在绝缘衬底上的硅（SOI）平台取得了受激布里渊散射领域的系列突破性成果：在前向布里渊方面，实现了6.4dB的净增益；在后向布里渊方面，在硅波导中观测到了前所未有的27.6GHz的频移及高达1960的声学品质因数。这种新型声学波导将进一步推进片上声光相互作用的发展，为光力学、声子电路、混合量子系统等领域带来新的发展机遇。

论文的第一作者为北京大学电子学院2019级博士研究生雷鹏，电子学院、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室解晓鹏助理教授和陈章渊教授，博士研究生许铭煜、白云慧参与了相关研究工作和论文撰写，解晓鹏为通信作者。

上述研究成果得到国家自然科学基金、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室（北京大学实验区）“先进光子集成”公共平台的支持。

相关链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-48123-5