研究人员在芯片上捕获光和声音，添加到光子工具箱

量子光子学被认为是一种下一代技术，它可以超越当前半导体技术的极限，特别是在特定任务上比经典处理器更高效。然而，一个主要的挑战是制作一个可扩展的集成平台来进行部署和商业化。

量子光子学的缺点之一是，小的界面和量子效应可能会扭曲数据信号，使其无法使用。由于量子应用使用光而不是电子，因此还需要过滤、放大和调节光学信号的新技术。

 

特文特大学研究人员如何在多层氮化硅波导中捕获光波和声波的描述。图片由特温特大学提供

 

特温特大学的研究人员最近开发了一种新技术，将声波和光波限制在多层氮化硅波导中。他们的解决方案可以在大规模集成电路中用声音改变光信号。该设备也与当前的生产方法兼容。

 

受激布里渊散射

处理、放大和过滤光学信号是量子光子学的核心。一种有效地做到这一点的方法是一种称为受激布里渊散射的相干光机械相互作用技术。当光波与声学晶格振动或声子相互作用时，会发生布里渊散射。

当光子与物质相互作用时，能量转移到声学声子上。入射光子散射到稍低的能量，并在相反的方向上传播。声子对光子的这种散射称为布里渊散射。

 

氮化硅光子芯片。图片由特温特大学提供

 

当反射光与声波在相位上重叠时，会出现最大散射。因此，散射具有高度的频率选择性，并且由于多普勒频移，反射波的频率降低了约1–15 GHz。这种效应在光学放大器和滤波器中起着重要作用。

这种散射是通过使用两个精细调谐的激光器产生声波并将其捕获在波导中来实现的。穿过波导的光与声波相互作用，并经历散射和多普勒频移，从而有效地过滤信号。

对于这样的应用，氮化硅波导由于其非线性折射率和CMOS兼容性而是优选的。

 

氮化硅波导

氮化硅波导是一种非线性的高折射率和低损耗半导体，这对于各种非线性光学应用是有利的。波导由堆叠在氮化硅平台上的底部反射器组成，底部覆盖有氧化物缓冲层。这些层是用LCVD（激光化学气相沉积）器件制造的，可以将其图案化为特定形状，使其与CMOS兼容。

介电材料的高折射率允许波导结构的高光学限制和对色散的控制。尽管有更好的模式限制，但氮化硅比其对应物便宜。因此，近年来，这种材料已成为非线性光学的主力军。

先前的研究表明，在氮化硅中实现受激布里渊散射可以解锁芯片上放大器和激光器等有前景的新技术。然而，演示通常受到氮化硅芯和氧化物包层的声学泄漏的困扰。这种效应防止了强烈的布里渊相互作用，并使这些波导对捕获声波无效。

 

用多层氮化硅波导捕获声光

特温特大学的研究人员使用由50厘米长的螺旋波导组成的低损耗多层氮化硅纳米光子电路来限制光波和声波。这种设置防止了在单个氮化硅芯中发生声学泄漏。研究人员精确地控制了氮化硅层之间的分离，改变了声波波导并抑制了这些波导中的散射。

 

多层氮化硅波导中的引导散射。图片由特温特大学提供

 

研究人员表明，多层氮化硅波导能够实现电路级受激布里渊散射。他们还准备了一个通过陷波滤波器进行射频（RF）信号处理的验证概念，该陷波滤波器仅使用0.4 dB的受激增益就具有66 dB的高抑制。

 

氮化硅波导中的微波陷波滤波器。图片由特温特大学提供

 

非线性纳米光子学研究小组的负责人David Marpaung教授声称，新芯片可能与可调谐激光器、可编程光子电路和频率梳集成在一起，使它们在量子计算和电信等不断发展的领域发挥重要作用。