在非悬挂式超低损耗厚硅基光电子平台中实现受激布里渊散射

逍遥设计自动化

引言
硅基光电子技术凭借与CMOS工艺的兼容性和高度集成特性，已经在集成光学领域展现突出优势。在各种非线性光学现象中，受激布里渊散射(SBS) - 一种光波与声波之间的相互作用 - 在窄线宽激光器和微波光子应用方面具有重要应用价值。但是，在传统的硅基光电子平台上实现SBS面临着重大挑战，主要是由于常规硅纳米线中光声重叠度较低[1]。
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7 [2 k* ^, _+ f- i图1：硅基光电子平台概述和场分布。(a)展示了不同SBS实现方案的硅基光电子平台，(b)显示了纳米线中的场泄漏现象，(c)展示了厚硅基光电子波导中改善的场限制效果。

声波限制原理
实现高效SBS的关键在于确保光波和声波之间的强烈重叠。虽然硅的高折射率(n=3.45)通过全反射实现了优秀的光场限制，但声波的导引却更具挑战性。这是因为硅中的声速(8500 m/s)高于二氧化硅(5960 m/s)，导致传统设计中的声波会泄漏到衬底中。
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! K! B& u, u$ S" z图2：厚硅基光电子波导中的声波行为。(a)解释了声波限制机制，(b)显示了声学模式色散对比，(c)展示了位移场模拟结果，(d)展示了不同类型波导的模拟SBS响应。
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厚硅基光电子平台为这一挑战提供了独特的解决方案。通过将波导尺寸增加到3微米厚度，即使在没有全反射的情况下也能实现更好的声波限制。这是因为纵向声波在波导-包层界面处以近掠射角入射时会发生强烈反射，类似于空芯光纤中的光导引原理。

( m2 K" r: j; J8 N" j6 Q平台特性与实现
( y, Y% l+ N- C' w2 R$ z. {VTT技术研究中心开发的厚硅基光电子平台使用3微米厚的硅层，采用精确的制造工艺。这包括步进光刻、电感耦合等离子体反应离子刻蚀、氢退火处理以减少侧壁粗糙度，以及低压化学气相沉积二氧化硅包层。

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1 o9 f1 ^' H8 d8 \5 U图3：厚硅基光电子平台的物理实现。(a)显示了制造结构的显微镜图像，包括螺旋和环形谐振器，(b)显示了环形谐振器的谐振特性测量结果。

% S9 a& p; B3 ?该平台支持单模肋型波导和多模条型波导。这种多样性，结合不同类型波导之间的绝热耦合器，使复杂、大规模光电子集成线路的制造成为现实。与传统纳米线相比，这些波导较大的模式面积显著降低了双光子吸收和自由载流子吸收导致的非线性损耗。
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& P" E/ Z; w  Z  c" b9 V7 j实验表征
, W" Q0 |4 o1 }$ E( A研究人员采用了精密的三重强度调制泵浦-探测锁相放大设置来表征厚硅基光电子波导中的SBS响应。这种配置允许精确测量布里渊增益，同时补偿功率波动。

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图4：SBS表征设置和结果。(a)显示了实验设置示意图，(b)展示了不同波导配置的测量SBS信号，(c)显示了对比用的模拟响应。

. L* q# O4 `8 A% k测量结果显示，肋型和条型波导在37.6 GHz附近都有明显的SBS信号。2.5微米宽的肋型波导获得了1.7 m?1W?1的布里渊增益系数，线宽为70 MHz。3.0微米宽的肋型波导增益提高到1.9 m?1W?1，线宽为57.5 MHz。条型波导展现了最高的增益系数2.5 m?1W?1，线宽为81.5 MHz。

优化与发展方向
通过精心设计波导尺寸，可以进一步优化布里渊增益系数。这涉及声波限制和有效模式面积之间的平衡。
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图5：优化研究显示了条型波导尺寸与布里渊增益系数之间的关系。
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厚硅基光电子平台中增强的布里渊增益系数和超低光学损耗的独特组合为实际应用提供了新的机会。较高的布里渊频移使该平台在通过SBS声子激射过程产生纯毫米波信号方面具有优势。

此外，展示的传输损耗低至6.7 dB/m - 潜在可降至2.9 dB/m - 比最先进的硅纳米线提升了一个数量级。这种超低损耗特性，结合观察到的SBS响应，使厚硅基光电子平台在实现非悬挂式、超低损耗硅基光电子系统中的布里渊应用方面展现出优异性能。
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在非悬挂式厚硅基光电子波导中实现SBS是硅基光电子技术发展中的重要进展。这为悬挂结构提供了一种稳健、易于制造的替代方案，同时保持了实用水平的布里渊增益。该平台与标准CMOS工艺的兼容性及大规模集成潜力，使其在电信、信号处理和传感系统等实际应用中具有显著优势。
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参考文献
[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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