荷蘭特文特大學(xué)的研究人員通過為光芯片技術(shù)增添"聲波控光"這一新維度，突破了傳統(tǒng)光芯片的性能邊界。這項(xiàng)突破有望將原子鐘小型化至可裝載于衛(wèi)星和無人機(jī)的尺寸，使其在不依賴GPS的情況下實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。

想象一下，當(dāng)你僅憑羅盤和星辰辨別方向時(shí)，突然獲得了一臺(tái)GPS導(dǎo)航儀——這正是David Marpaung團(tuán)隊(duì)為光芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域帶來的革命性轉(zhuǎn)變。通過"聲波導(dǎo)光"這一發(fā)現(xiàn)，研究人員為這項(xiàng)快速發(fā)展的技術(shù)注入了全新動(dòng)能。光芯片技術(shù)已突破低功耗光通信的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，正在向更廣闊的應(yīng)用場景拓展。

在最新一期《科學(xué)進(jìn)展》中，Marpaung團(tuán)隊(duì)將著名的物理現(xiàn)象"受激布里淵散射(SBS)"的精確性與多功能性轉(zhuǎn)化為可大規(guī)模生產(chǎn)的實(shí)用技術(shù)。SBS技術(shù)的引入，使工程師能夠在光子集成電路中集成亞赫茲線寬激光器、超選擇性濾波器等性能無與倫比的關(guān)鍵組件。

Marpaung說："集成布里淵光子學(xué)在科學(xué)和商業(yè)領(lǐng)域都蘊(yùn)藏巨大潛力，我們的工作將其從實(shí)驗(yàn)室推向了晶圓廠。"所說的"晶圓廠"正是芯片制造的核心陣地。

電子、光子與聲子的三重奏

對電信行業(yè)而言，布里淵散射通常是令人頭疼的干擾現(xiàn)象。光纖中光與玻璃介質(zhì)的相互作用會(huì)產(chǎn)生周期性密度變化和折射率波動(dòng)，導(dǎo)致光信號(hào)散射并限制傳輸功率。

但布里淵散射亦可化弊為利。通過精確調(diào)控光波與介質(zhì)晶格振動(dòng)(聲子)之間的正反饋循環(huán)，一種全新的信息傳輸與處理方式應(yīng)運(yùn)而生。Marpaung解釋道："如果說電子是電子學(xué)的基石，光子是集成光子學(xué)的載體，那么聲子介導(dǎo)的相互作用將成為操控信號(hào)的第三維度。"

讓SBS技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在鈮酸鋰光學(xué)材料中，聲波傳播方向可通過光波進(jìn)行精確調(diào)控。這一突破性發(fā)現(xiàn)使得將SBS技術(shù)融入薄膜鈮酸鋰(TFLN)光芯片平臺(tái)成為可能。該材料正是當(dāng)前光芯片制造的主流基底材料。

論文第一作者、Marpaung團(tuán)隊(duì)博士生Kaixuan Ye指出："雖然已有諸多概念驗(yàn)證，但實(shí)用化進(jìn)程始終面臨關(guān)鍵挑戰(zhàn)。"。傳統(tǒng)聲波如同海面漣漪般向四周擴(kuò)散的特性，導(dǎo)致能量耗散嚴(yán)重，這一固有屬性曾是主要技術(shù)障礙。

SBS技術(shù)的應(yīng)用前景

通過與香港城市大學(xué)Cheng Wang團(tuán)隊(duì)的合作，研究人員在TFLN平臺(tái)上成功制備出芯片級布里淵放大器和激光器——這兩大組件是任何光子集成電路的核心單元。團(tuán)隊(duì)還開發(fā)出更復(fù)雜的多功能布里淵微波光子處理器，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波功能。

這些成果為實(shí)際應(yīng)用鋪平了道路。Marpaung解釋道："SBS技術(shù)可將原子鐘所需超精密穩(wěn)定激光器微型化，從而大幅縮小設(shè)備體積。芯片級激光器將使衛(wèi)星和無人機(jī)實(shí)現(xiàn)低成本集成原子鐘，借助精準(zhǔn)的機(jī)載計(jì)時(shí)系統(tǒng)，這些設(shè)備將徹底擺脫GPS依賴。我們的技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)超精密信號(hào)濾波。與高速調(diào)制器集成后，系統(tǒng)將具備更高性能、更小尺寸和更低成本。這種濾波器對6G通信和GPS抗干擾具有重要意義。"

審核編輯 黃宇