非悬空声光同传集成波导中的受激布里渊散射

原创中国科学物理辑中国科学杂志社

《中国科学：物理学力学天文学》英文版（Science China Physics, Mechanics & Astronomy）近期在线发表中国科学技术大学郭光灿院士团队邹长铃、徐新标研究小组的通讯短文：“Stimulated Brillouin interaction between guided phonons and photons in a lithium niobate waveguide”。该团队基于蓝宝石上铌酸锂薄膜构建了一种新型的非悬空声光同传集成回路，并利用该波导结构对声场和光场的共同局域能力实现了高效的背向受激布里渊散射。博士研究生杨元昊、王家齐为该文的共同第一作者。

布里渊散射是电介质中最强的非线性光学效应之一，其为实现低噪声光学增益以及相干光子-声子互联提供了一种有效的方法。然而，以往对集成布里渊散射的研究主要局限于非约束声子或约束声子的悬空结构中。前者由于声子场功率密度低而很难实现高效的布里渊相互作用，而后者的悬空结构具有结构脆弱、制备难度和热效应明显等缺点。因此学界一直希望在非悬空结构上同时实现紧密束缚的声学和光学模式进而实现更强的布里渊相互作用。图1展示的是中国科学技术大学的团队提出的非悬空声光同传波导的结构：一方面由于铌酸锂的声速低于蓝宝石的声速，可以实现局域的声学传播模式[图1d]；另一方面铌酸锂的光学折射率在通讯波段比蓝宝石大，也可以实现对光学传播模式的横向强局域[图1e]。

图1 非悬空声光同传波导的结构

如图2所示，通过对行波光场和行波声场的横向强局域作用，研究人员在52mm长的波导结构中施加160mW的蓝失谐泵浦光可以让探测光产生1.4dB的增益。该性能还能够通过优化波导结构尺寸以及传输方向得到进一步的提升。国际上也在积极开展相应的研究，值得一提的是有两篇预印本论文(arXiv: 2311.14697, arXiv: 2311.18315)也报道了类似的实验结果。