[论文解读] Stimulated Brillouin scattering in tellurite-covered silicon nitride waveguides

Roel Botter, Yvan Klaver+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2023

Advanced Fiber Optic SensorsEngineering被引用 3

一句话总结

该论文首次展示了在碲酸盐包覆氮化硅波导中实现受激布里渊散射（SBS），通过声学限制和包层工程，实现了8.5 m⁻¹W⁻¹的记录布里渊增益系数——是此前Si₃N₄平台的20倍。作者进一步预测，通过几何优化可实现高达155 m⁻¹W⁻¹的增益增强，从而实现高性能射频光子滤波器，并推动片上非线性光子电路的发展。

ABSTRACT

Stimulated Brillouin scattering (SBS), a coherent nonlinear effect coupling acoustics and optics, can be used in a wide range of applications such as Brillouin lasers and tunable narrowband RF filtering. Wide adoption of such technologies however, would need a balance of strong Brillouin interaction and low optical loss in a structure compatible with large scale fabrication. Achieving these characteristics in scalable platforms such as silicon and silicon nitride remains a challenge. Here, we investigate a scalable Brillouin platform combining low loss Si$_3$N$_4$ and tellurium oxide (TeO$_2$) exhibiting strong Brillouin response and enhanced acoustic confinement. In this platform we measure a Brillouin gain coefficient of 8.5~m$^{-1}$W$^{-1}$, exhibiting a twenty fold improvement over the largest previously reported Brillouin gain in a Si$_3$N$_4$ platform. Further, we demonstrate cladding engineering to control the strength of the Brillouin interaction. We utilized the Brillouin gain and loss resonances in this waveguide for an RF photonic filter with more than 15 dB rejection and 250 MHz linewidth. Finally, we present a pathway by geometric optimization and cladding engineering to a further enhancement of the gain coefficient to 155~m$^{-1}$W$^{-1}$, a potential 400 times increase in the Brillouin gain coefficient.

研究动机与目标

• 为解决在可扩展光子平台（如氮化硅）中实现强、低损耗布里渊非线性的问题。
• 探究碲酸盐包覆是否可通过改善声学限制和降低损耗来增强布里渊增益。
• 通过包层工程和波导几何结构实现对布里渊相互作用强度的调控。
• 在混合平台中利用布里渊增益与损耗谐振峰实现射频光子滤波器。
• 预测通过几何优化与包层设计进一步提升增益的潜力。

提出的方法

• 制备了单模氮化硅波导（100 nm高，1600 nm宽），并在其上涂覆354 nm厚的碲酸盐层，以增强声学模式限制。
• 采用有限元法（FEM）模拟光学与声学模式，通过光学场与声学场重叠积分计算布里渊增益系数。
• 使用遗传算法对波导几何参数（Si₃N₄宽度、高度、碲酸盐厚度、包层类型）进行多参数优化，以最大化布里渊增益。
• 在模拟中引入完美匹配层（PML），并采用渐进增大的粘性系数，以抑制声波在界面处的非物理反射，尤其在二氧化硅包层结构中效果显著。
• 在优化几何结构附近进行参数扫描，以验证增益趋势并识别初始优化窗口之外的全局最大值。
• 通过测量SBS增益与损耗谐振峰，实现了射频光子滤波，获得超过15 dB的抑制深度与250 MHz的带宽。

实验结果

研究问题

• RQ1 与裸露的Si₃N₄平台相比，碲酸盐包覆是否能显著增强氮化硅波导中的布里渊增益系数？
• RQ2 包层材料（CYTOP与SiO₂）如何影响混合波导中声波传播特性及布里渊增益？
• RQ3 几何参数（Si₃N₄宽度、高度、碲酸盐厚度）在多大程度上可被调节以最大化布里渊增益？
• RQ4 该平台中的布里渊增益与损耗谐振峰是否可用于实际射频光子滤波应用？
• RQ5 通过优化波导设计，在该混合平台中理论上可实现的布里渊增益上限是多少？

主要发现

• 实验测得的布里渊增益系数在碲酸盐包覆氮化硅波导中达到8.5 m⁻¹W⁻¹，相比此前报道的Si₃N₄基平台最高值提升20倍。
• 包层工程——特别是采用CYTOP或SiO₂作为包层——可调控布里渊相互作用的强度与谱宽，其中SiO₂包层可实现更高的理论增益。
• 在优化几何结构的SiO₂包层波导中，模拟获得的峰值布里渊增益达132 m⁻¹W⁻¹，进一步预测在氮化硅宽度为4020 nm时增益可达155 m⁻¹W⁻¹。
• 155 m⁻¹W⁻¹的增益预测相比初始Si₃N₄平台实现了约400倍的提升，较实验结果提升20倍，表明实现超高的非线性性能具有明确路径。
• 基于布里渊增益与损耗谐振峰的射频光子滤波器实现了超过15 dB的抑制深度与250 MHz的带宽，展现出实际应用潜力。
• 模拟结果表明，声学模式限制对碲酸盐厚度最为敏感，其决定了声子瓣的数量及有效声学波导行为。