[论文解读] Surface acoustic wave stimulated Brillouin scattering in thin-film lithium niobate waveguides

Kaixuan Ye, Hanke Feng+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2023

Photorefractive and Nonlinear Optics被引用 7

一句话总结

本论文首次通过表面声波（SAW）实现了在薄膜铌酸锂（TFLN）波导中观测到反向受激布里渊散射（SBS）。在20°晶体旋转角下，z切TFLN波导中实现了84.9 m⁻¹W⁻¹的峰值布里渊增益系数，展示了强烈的光机械相互作用，并为集成光子学应用提供了巨大潜力。

ABSTRACT

We report the first-ever experimental observation of backward stimulated Brillouin scattering (SBS) in thin-film lithium niobate (TFLN) waveguides. The peak Brillouin gain coefficient of the z-cut LN waveguide with a crystal rotation angle of 20$^{\circ}$ is as high as 84.9m$^{-1}$W$^{-1}$, facilitated by surface acoustic waves (SAW) at 8.06GHz.

研究动机与目标

• 在具有高潜力的集成非线性光子学平台——薄膜铌酸锂（TFLN）波导中，实验演示受激布里渊散射（SBS）。
• 通过对比空气包层与二氧化硅包层结构，研究表面声波（SAW）在增强TFLN波导中SBS增益方面的作用。
• 通过改变旋转角θ（从0°到40°）研究z切TFLN波导中SBS增益对晶体取向的依赖性。
• 利用锁相放大器和矢量网络分析仪（VNA）等多种测量技术验证SBS信号，确保信号可靠性。
• 确立TFLN作为可扩展、低损耗、高性能的集成布里渊基器件平台，如激光器和滤波器。

提出的方法

• 采用反应离子束刻蚀工艺，在400 nm厚的铌酸锂晶圆上制备了1 cm长的z切和x切TFLN波导，刻蚀深度分别为200 nm和250 nm。
• 采用泵浦-探测调制锁相放大器装置测量SBS增益分布，将波导中的SBS峰与5 m光纤参考样品的SBS峰进行对比。
• 利用COMSOL Multiphysics模拟在θ = 20°时z切TFLN波导中的光场与声场重叠，识别出7.95 GHz的表面声波激发。
• 采用矢量网络分析仪（VNA）表征SBS，测量线宽和信号保真度，特别关注斯托克斯与反斯托克斯分量。
• 系统性地改变z切波导的晶体旋转角（θ = 0°, 20°, 40°），绘制SBS增益对晶体取向的依赖关系。
• 对比空气包层与二氧化硅包层的x切TFLN波导，以分离声波限制对SBS增强的影响。

Fig. 1 : (a) Artistic representation of the air-cladded z-cut TFLN waveguides with crystal orientation angle $\theta$ of 0 $\degree$ , 20 $\degree$ , and 40 $\degree$ . (b) Simulated electric field and (c) the corresponding acoustic response of the air-cladded z-cut TFLN waveguides at the Brillouin

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过表面声波（SAW）作为机械激励源，在薄膜铌酸锂（TFLN）波导中实验观测到反向受激布里渊散射（SBS）？
• RQ2 z切TFLN波导的晶体取向（θ）如何影响布里渊增益系数？该依赖关系是否与理论预测一致？
• RQ3 通过空气包层与二氧化硅包层实现的声波限制，在多大程度上影响x切TFLN波导中的SBS增益？
• RQ4 在SAW激励下，TFLN波导中可实现的最大布里渊增益系数是多少？与其它集成平台相比如何？
• RQ5 能否在芯片级光子平台上，通过锁相放大器与矢量网络分析仪（VNA）两种技术可靠地测量并验证SBS信号？

主要发现

• 首次通过表面声波（SAW）在8.06 GHz频率下，实验观测到薄膜铌酸锂（TFLN）波导中的反向受激布里渊散射（SBS）。
• 在20°晶体旋转角的z切TFLN波导中测得峰值布里渊增益系数为84.9 m⁻¹W⁻¹，显著高于氮化硅平台，接近硫系和悬空硅平台的水平。
• z切TFLN波导中的SBS增益系数强烈依赖于晶体取向：0°时为9.45 m⁻¹W⁻¹，20°时为84.9 m⁻¹W⁻¹，40°时为25.6 m⁻¹W⁻¹，与模拟趋势一致。
• x切TFLN波导中的SBS信号具有11.9 MHz的窄线宽，表明光谱纯度高，具备高分辨率滤波的潜力。
• 与空气包层x切波导相比，二氧化硅包层使SBS增益系数降低近四倍，证实声波限制对高SBS效率至关重要。
• 实测的SBS增益系数比模拟值高出约50%，可能由于模拟模型中声学品质因数（Q_ac = 1000）被低估。

Fig. 2 : (a)Lock-in amplifier measurement results of the x-cut TFLN waveguides with and without silica cladding, displayed together with SBS peaks from 5 m of fibers in the setup. Measured (b) Stokes and (c) anti-Stokes signal from the x-cut TFLN waveguides without silica cladding.