Направленное акустическое рассеяние Бриллюэна в многослойных волноводах из нитрида кремния. (A) Художественное представление многослойного волновода из нитрида кремния, показывающее улучшенный обратный процесс SBS с акустической волной, направляемой между слоями нитрида кремния. (B) Смоделированные оптические моды и акустические отклики волноводов SDS и ADS соответственно. SDS и ADS представляют собой две разновидности многослойных волноводов из нитрида кремния. (C) Расчетные коэффициенты усиления Бриллюэна стандартных волноводов SDS и ADS. Волновод SDS демонстрирует усиленный ВРМБ с коэффициентом усиления в три-пять раз больше, чем ранее продемонстрированный в нитриде кремния, в то время как волновод ADS демонстрирует подавленный ВРМБ с коэффициентом усиления по Бриллюэну ниже 0,1 м ^-1 Вт ^-1 . Кредит: Научные достижения(2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq2196

В последние десятилетия чипы и электронные устройства стали экспоненциально меньше и быстрее. Инженеры почти достигли пределов возможностей традиционной электроники и сейчас находятся в процессе перехода от электроники к фотонике, используя свет вместо электронов. В этом масштабе возникают всевозможные новые проблемы. Например, малейшие помехи или квантовые эффекты могут исказить сигналы и сделать их непригодными для использования. Теперь исследовательская группа из Университета Твенте добавила новое решение в набор фотонных инструментов.

Фильтрация, усиление и обработка оптических сигналов необходимы для разработки новых телекоммуникационных технологий, квантовой оптики и датчиков. Одним из эффективных способов сделать это является использование метода когерентного оптомеханического взаимодействия, называемого вынужденным рассеянием Бриллюэна. В этой технике два точно настроенных лазера генерируют звуковую волну с частотами, в 1 миллион раз превышающими порог слышимости человека, и улавливают ее в волноводе. Свет, проходящий через волновод, взаимодействует со звуковой волной, которая будет отражать очень маленькую и специфическую часть светового спектра; Эффективная фильтрация сигнала.

«Несмотря на то, что бриллюэновское рассеяние широко изучалось в последние несколько лет, его никогда нельзя было надежно реализовать на чипе, подходящем для использования в нашей повседневной жизни», — говорит профессор Дэвид Марпаунг, профессор, возглавляющий исследовательскую группу нелинейной нанофотоники. «Захват звуковой волны в волноводе, достаточно длинный, чтобы быть эффективным, оказался очень трудным. «Акустическая утечка» — большая проблема в традиционных платформах на основе кремния, препятствующая сильному бриллюэновскому взаимодействию. А альтернативные материалы часто бывают нестабильными, хрупкими или даже токсичный».

Прорыв с многослойным волноводом из нитрида кремния

Исследовательская группа из Университета Твенте использовала многослойные нанофотонные схемы из нитрида кремния (Si 3 N 4 ) с низкими потерями для ограничения как оптических, так и акустических волн. Эти схемы состоят из спиральных волноводов длиной 50 см. Эта установка улавливает звуковую волну и предотвращает акустическую утечку, возникающую при использовании одного сердечника из нитрида кремния. Помимо многообещающих результатов в своей экспериментальной установке, исследователи подготовили рабочее доказательство концепции и другие практические реализации. Роэл Боттер, первый автор статьи, говорит: «Мы продемонстрировали режекторный фильтр подавления радиочастот, и результаты показывают большой потенциал будущего вынужденного бриллюэновского рассеяния на микросхеме из нитрида кремния».

Марпаунг добавляет: «Наше исследование делает возможной интеграцию вынужденного бриллюэновского рассеяния в большие схемы. Эти новые чипы могут быть интегрированы с другими появляющимися технологиями, такими как перестраиваемые лазеры, частотные гребенки и программируемые фотонные схемы, что потенциально дает им возможность участвовать в будущем развитии технологий, начиная от телекоммуникаций и заканчивая квантовыми вычислениями».

Исследовательская статья, опубликованная 7 октября в журнале Science Advances, является результатом 4-летнего исследования возможности вынужденного рассеяния Бриллюэна в фотонных схемах из нитрида кремния. Исследование проводилось в институте MESA+ Университета Твенте в сотрудничестве с доктором Ян Лю, ученым из Лаборатории фотоники и квантовых измерений в EPFL в Швейцарии. Чипы из нитрида кремния производятся компанией LioniX International, дочерней компанией Университета Твенте и незаменимым партнером в исследовательском процессе.