在非懸掛式超低損耗厚硅基光電子平臺中實(shí)現(xiàn)受激布里淵散射

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引言
7 d! i2 q  x9 Y; J6 `# \硅基光電子技術(shù)憑借與CMOS工藝的兼容性和高度集成特性，已經(jīng)在集成光學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)突出優(yōu)勢。在各種非線性光學(xué)現(xiàn)象中，受激布里淵散射(SBS) - 一種光波與聲波之間的相互作用 - 在窄線寬激光器和微波光子應(yīng)用方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。但是，在傳統(tǒng)的硅基光電子平臺上實(shí)現(xiàn)SBS面臨著重大挑戰(zhàn)，主要是由于常規(guī)硅納米線中光聲重疊度較低[1]。
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3 s  l0 X8 ]7 @1 Y圖1：硅基光電子平臺概述和場分布。(a)展示了不同SBS實(shí)現(xiàn)方案的硅基光電子平臺，(b)顯示了納米線中的場泄漏現(xiàn)象，(c)展示了厚硅基光電子波導(dǎo)中改善的場限制效果。
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聲波限制原理
實(shí)現(xiàn)高效SBS的關(guān)鍵在于確保光波和聲波之間的強(qiáng)烈重疊。雖然硅的高折射率(n=3.45)通過全反射實(shí)現(xiàn)了優(yōu)秀的光場限制，但聲波的導(dǎo)引卻更具挑戰(zhàn)性。這是因?yàn)楣柚械穆曀?8500 m/s)高于二氧化硅(5960 m/s)，導(dǎo)致傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的聲波會泄漏到襯底中。
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圖2：厚硅基光電子波導(dǎo)中的聲波行為。(a)解釋了聲波限制機(jī)制，(b)顯示了聲學(xué)模式色散對比，(c)展示了位移場模擬結(jié)果，(d)展示了不同類型波導(dǎo)的模擬SBS響應(yīng)。
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0 i; w# z' B# K, q. x, E- D7 T2 u厚硅基光電子平臺為這一挑戰(zhàn)提供了獨(dú)特的解決方案。通過將波導(dǎo)尺寸增加到3微米厚度，即使在沒有全反射的情況下也能實(shí)現(xiàn)更好的聲波限制。這是因?yàn)榭v向聲波在波導(dǎo)-包層界面處以近掠射角入射時(shí)會發(fā)生強(qiáng)烈反射，類似于空芯光纖中的光導(dǎo)引原理。
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平臺特性與實(shí)現(xiàn)
VTT技術(shù)研究中心開發(fā)的厚硅基光電子平臺使用3微米厚的硅層，采用精確的制造工藝。這包括步進(jìn)光刻、電感耦合等離子體反應(yīng)離子刻蝕、氫退火處理以減少側(cè)壁粗糙度，以及低壓化學(xué)氣相沉積二氧化硅包層。

圖3：厚硅基光電子平臺的物理實(shí)現(xiàn)。(a)顯示了制造結(jié)構(gòu)的顯微鏡圖像，包括螺旋和環(huán)形諧振器，(b)顯示了環(huán)形諧振器的諧振特性測量結(jié)果。

該平臺支持單模肋型波導(dǎo)和多模條型波導(dǎo)。這種多樣性，結(jié)合不同類型波導(dǎo)之間的絕熱耦合器，使復(fù)雜、大規(guī)模光電子集成線路的制造成為現(xiàn)實(shí)。與傳統(tǒng)納米線相比，這些波導(dǎo)較大的模式面積顯著降低了雙光子吸收和自由載流子吸收導(dǎo)致的非線性損耗。
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實(shí)驗(yàn)表征
5 m; w/ b8 c) a9 I( `* l$ X- D研究人員采用了精密的三重強(qiáng)度調(diào)制泵浦-探測鎖相放大設(shè)置來表征厚硅基光電子波導(dǎo)中的SBS響應(yīng)。這種配置允許精確測量布里淵增益，同時(shí)補(bǔ)償功率波動。

& Y* `2 A5 S! y+ z8 ]1 D; x圖4：SBS表征設(shè)置和結(jié)果。(a)顯示了實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖，(b)展示了不同波導(dǎo)配置的測量SBS信號，(c)顯示了對比用的模擬響應(yīng)。
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3 l1 v* H! g8 ~; m2 k: n! u測量結(jié)果顯示，肋型和條型波導(dǎo)在37.6 GHz附近都有明顯的SBS信號。2.5微米寬的肋型波導(dǎo)獲得了1.7 m?1W?1的布里淵增益系數(shù)，線寬為70 MHz。3.0微米寬的肋型波導(dǎo)增益提高到1.9 m?1W?1，線寬為57.5 MHz。條型波導(dǎo)展現(xiàn)了最高的增益系數(shù)2.5 m?1W?1，線寬為81.5 MHz。
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/ t( Z) z. l& V* ^$ [- \+ y( H優(yōu)化與發(fā)展方向
8 A5 |6 M0 b# S& B0 g2 Q4 `# R通過精心設(shè)計(jì)波導(dǎo)尺寸，可以進(jìn)一步優(yōu)化布里淵增益系數(shù)。這涉及聲波限制和有效模式面積之間的平衡。

' m) j3 ]8 B6 d: Y5 U' p3 L0 y9 f圖5：優(yōu)化研究顯示了條型波導(dǎo)尺寸與布里淵增益系數(shù)之間的關(guān)系。
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* N) y5 I% c6 ~; \7 }厚硅基光電子平臺中增強(qiáng)的布里淵增益系數(shù)和超低光學(xué)損耗的獨(dú)特組合為實(shí)際應(yīng)用提供了新的機(jī)會。較高的布里淵頻移使該平臺在通過SBS聲子激射過程產(chǎn)生純毫米波信號方面具有優(yōu)勢。
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此外，展示的傳輸損耗低至6.7 dB/m - 潛在可降至2.9 dB/m - 比最先進(jìn)的硅納米線提升了一個(gè)數(shù)量級。這種超低損耗特性，結(jié)合觀察到的SBS響應(yīng)，使厚硅基光電子平臺在實(shí)現(xiàn)非懸掛式、超低損耗硅基光電子系統(tǒng)中的布里淵應(yīng)用方面展現(xiàn)出優(yōu)異性能。

在非懸掛式厚硅基光電子波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)SBS是硅基光電子技術(shù)發(fā)展中的重要進(jìn)展。這為懸掛結(jié)構(gòu)提供了一種穩(wěn)健、易于制造的替代方案，同時(shí)保持了實(shí)用水平的布里淵增益。該平臺與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的兼容性及大規(guī)模集成潛力，使其在電信、信號處理和傳感系統(tǒng)等實(shí)際應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)
[1] K. Ye et al., "Stimulated Brillouin scattering in a non-suspended ultra-low-loss thick-SOI platform," arXiv:2410.19083v1 [physics.optics], Oct. 2024.

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