布里淵散射是一種源于光子-聲子耦合的非線性效應。自1922年被提出及1964年被實驗觀測后，基于布里淵散射的窄線寬激光器、微波光子濾波器、快慢光技術(shù)、分布式傳感系統(tǒng)以及光學非互易器件等已在信號處理、微波光子學等多個領(lǐng)域得到了廣泛應用。隨著集成光子技術(shù)的發(fā)展，可以通過片上波導設計，實現(xiàn)對光學和聲學模式的獨立操控，大幅增強光波與聲波的相互作用。然而，如何實現(xiàn)低損耗、可操控性強且制造工藝簡便的聲波導，仍是一項重大挑戰(zhàn)。

近期，北京大學電子學院、區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室微波光子學研究團隊首次提出一種片上反諧振聲波導的新范式，實現(xiàn)了對聲學模式的靈活操縱與選擇，獲得了片上聲光相互作用關(guān)鍵指標的新突破。2024年5月8日，相關(guān)研究成果以《反諧振聲學波導賦能片上布里淵散射》（“Anti-resonant acoustic waveguides enabled tailorable Brillouin scattering on chip”）為題，在線發(fā)表于《自然·通訊》(Nature Communications)。

反諧振聲波導的工作原理如圖（a）頂部所示。為了將聲場有效限制在聲速較快的中間層，可通過調(diào)節(jié)聲速較慢的側(cè)邊層來實現(xiàn)反諧振反射。此時聲波被反射回中間層，形成圖（a）中黑色實線所示的聲場分布；這一機制與光學中的法布里-珀羅諧振腔（下稱“F-P腔”）類似，通過調(diào)節(jié)F-P腔的長度以實現(xiàn)反諧振狀態(tài)。不同的聲速層可由硅、二氧化硅等不同的材料層構(gòu)成，然而，在芯片上構(gòu)建這種橫向多層結(jié)構(gòu)頗具挑戰(zhàn)。為此，研究團隊提出了一種新穎的解決策略，即在中心波導兩側(cè)刻蝕出寬度為t的空氣槽【見圖（a）】，使得空氣與固體之間的界面產(chǎn)生幾何軟化，降低了其有效聲速，從而構(gòu)建出反諧振反射層。

反諧振聲波導：（a）原理圖、（b）示意圖、（c）實物圖

基于這一原理，研究團隊設計出由中心波導和雙側(cè)的兩組蝕刻槽構(gòu)成的懸浮反諧振聲波導（如圖（b）所示），整個懸浮結(jié)構(gòu)由一系列懸臂支撐。隨后，研究團隊在絕緣襯底上的硅（SOI）平臺取得了受激布里淵散射領(lǐng)域的系列突破性成果：在前向布里淵方面，實現(xiàn)了6.4dB的凈增益；在后向布里淵方面，在硅波導中觀測到了前所未有的27.6GHz的頻移及高達1960的聲學品質(zhì)因數(shù)。這種新型聲學波導將進一步推進片上聲光相互作用的發(fā)展，為光力學、聲子電路、混合量子系統(tǒng)等領(lǐng)域帶來新的發(fā)展機遇。

論文的第一作者為北京大學電子學院2019級博士研究生雷鵬，電子學院、區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室解曉鵬助理教授和陳章淵教授，博士研究生許銘煜、白云慧參與了相關(guān)研究工作和論文撰寫，解曉鵬為通信作者。

上述研究成果得到國家自然科學基金、區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室（北京大學實驗區(qū)）“先進光子集成”公共平臺的支持。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-48123-5