基于布里渊集成光路的紧凑型高分辨率光谱仪

《Nature Communications》：Compact and high-resolution spectrometer via Brillouin integrated circuits

　　针对集成光谱仪在光谱分辨率与器件尺寸间的固有矛盾，研究团队创新性地利用声光非线性相互作用，在铌酸锂混合光子-声子芯片上实现了基于受激布里利渊散射的动态光栅光谱仪。该器件仅凭1毫米长的直波导，即可在110纳米带宽内达到0.56纳米的高分辨率，接近理论极限，为片上光谱分析提供了紧凑、可重构的解决方案。

　　

在化学检测、生物传感、天文观测乃至量子技术等诸多领域，光学光谱仪都是不可或缺的核心工具。随着光子集成芯片（PIC）技术的飞速发展，人们期望能将功能强大的光谱仪也集成到微小的芯片上，以实现设备的小型化、便携化和系统的高稳定性。然而，这条集成化之路却面临着一个根本性的挑战：光谱分辨率与器件尺寸之间难以调和的矛盾。传统的芯片光谱仪方案，无论是基于静态光栅的色散原理，还是基于马赫-曾德尔干涉仪（MZI）或微环谐振器的傅里叶变换技术，都难以在微小的 footprint（占地面积）内实现高的光谱分辨率。前者需要很长的光栅长度和密集的探测器阵列，后者则受限于有限的调谐范围。因此，开发一种能够兼顾高分辨率、小尺寸、宽带宽且易于集成的全新光谱仪方案，成为该领域迫切的需求。

近日，发表于《Nature Communications》的一项研究为解决这一难题提供了全新的思路。由中国科学技术大学和清华大学等机构研究人员组成的团队，独辟蹊径地利用一种强大的非线性光学效应——受激布里渊散射（SBS），在混合光子-声子集成芯片上成功演示了一种紧凑型高分辨率光谱仪。这项研究不仅展示了一种性能优异的器件，更验证了一种名为“正夫”（Zhengfu）的混合芯片架构，为未来多功能集成光电子系统开辟了新的可能性。

为了开展这项研究，研究人员主要运用了几项关键技术：基于X切铌酸锂（LN）-on-蓝宝石晶圆的微纳加工技术，用于制备支持光子和声子模式的楔形波导；扇形叉指换能器（IDT）的设计与制备，用于高效地将射频（RF）信号转换为特定频率的声波（声子）；光子-声子模式复用器设计，实现光与声的有效耦合与分离；以及基于矢量网络分析仪（VNA）和外差探测的精密光学表征系统，用于精确测量器件的频谱响应。

表征片上光谱仪

研究人员首先制备了关键的混合光子-声子电路。其核心是一个直的铌酸锂波导，宽度为1.2微米，厚度为400纳米，部分刻蚀形成180纳米厚的平板层。这种精心设计的楔形几何结构能够同时支持通信波段的光学模式（光子）和约8.5吉赫兹（GHz）的声学模式（声子）。通过集成一个扇形叉指换能器（IDT），可以将外部施加的射频（RF）信号高效地转换为沿波导传播的声波。实验表征显示，IDT在8.5 GHz处有一个明显的谐振峰（S11参数），表明其能有效激发高频声子。为了将光子和声子同时耦合进同一根波导进行相互作用，同时保护IDT电极免受输入激光的潜在损伤，研究团队还设计了一个光子-声子模式复用器。该器件利用声子模式束缚更紧的特性，使其在波导中传播时几乎不耦合到相邻波导，而光子模式则可以在耦合区域高效地转移。光学输入和输出则通过光栅耦合器或侧向耦合实现。

宽带光谱表征

该光谱仪的性能在宽波长范围内得到了验证。当固定射频驱动功率为20毫瓦（mW）时，研究人员测量了从1514纳米到1624纳米（共110纳米范围）不同波长的单色光输入下的响应。反射光功率与输入光功率呈线性关系，验证了声激布里渊散射是一个相干的三波混频（TWM）过程。输出光相对于输入光的频移与输入光波长呈线性色散关系，斜率为6.03兆赫兹/纳米（MHz/nm）。结合射频响应的窄线宽（3.4 MHz），推导出光学本征光谱分辨率为0.56纳米。响应包络的起伏反映了整个系统的波长相关传递函数，包括IDT响应、声光耦合强度等，这些信息被用于后续的光谱重建。尽管实验数据在110纳米范围内获取，但分析表明，通过优化IDT设计，光谱仪的工作范围可超过150纳米，甚至有望达到300纳米以上。为了直接证明其亚纳米分辨率，研究团队使用波长间隔仅为0.5纳米的双激光作为输入源，通过扫描RF驱动频率，清晰地分辨出两个独立的峰，并通过双洛伦兹拟合和光谱重建，证实了其分辨率优于0.5纳米。此外，研究还演示了该光谱仪在荧光测量和电信应用方面的潜力。他们利用掺铒光纤放大器（EDFA）产生宽带光谱，并通过密集波分复用（DWDM）滤波器合成具有特定谱特征的宽带光源。测量结果与商用光谱仪的参考谱高度一致，证明了其在处理复杂宽带光谱方面的能力。

光谱仪本征分辨率

研究人员将他们的器件与文献中报道的先进光谱仪进行了性能比较，重点关注本征光谱分辨率。本征分辨率由器件的色散路径决定，反映了其固有的光学响应带宽，与输入信号强度、检测噪声和重建算法无关。该器件的分辨率高达0.56纳米，而尺寸仅为1毫米，性能卓越。理论分析表明，在理想的均匀无损耗波导中，分辨率存在一个基本极限，由相位匹配条件决定，计算公式为Δ_λ = Δ_β / (?β/?λ)。对于1毫米的相互作用长度（L），理论极限分辨率约为0.46纳米。实验测得的0.56纳米已非常接近这一极限，其微小差异主要归因于波导中的损耗。研究还发现，进一步增加相互作用长度L并不能持续提高分辨率，这表明了声子模式在波导中传播损耗的限制。模拟结果显示，在当前声子品质因数（Q值）约3000的情况下，分辨率在L > 1毫米后趋于饱和。同时，波导截面（如宽度Δw和薄膜厚度Δt）的非均匀性会引入波矢失配，相当于相位匹配扩散过程，也会降低分辨率。模拟分析指出，通过将声子Q值提高一个数量级（例如达到20000），并抑制波导几何参数的波动，有望在小于6毫米的相互作用长度下实现0.1纳米的分辨率。

这项研究通过利用声激布里渊散射，为片上光谱学引入了一种新范式。所展示的光谱仪以其结构简单、坚固可靠、易于制造以及与其它光电子元件大规模集成的潜力而展现出巨大前景。器件中无活动部件或悬浮结构，使其具有固有的稳定性和可靠性，为光谱分析提供了一种紧凑、稳定且经济高效的解决方案，无需任何自由空间光学元件。更重要的是，这项工作验证了一个混合光子-声子平台，即“正夫”混合芯片架构。该架构不仅为芯片上的色散操控提供了一种方法，也为未来的芯片系统设计奠定了基础。它可以扩展到其他材料平台，如蓝宝石上的氮化铝钪（ScAlN）和钽酸锂（LiTaO₃），为特定应用提供了材料选择的灵活性。该架构实现了RF信号与光学信号之间的高效接口，为光电器件开辟了新的可能性，为光信息处理提供了与电光调制互补的新范式。例如，通过简单地控制RF驱动的幅度和频率，就可以实现芯片上动态可重构的激光发射，从而实现快速频率扫描或多波长激光输出。此外，“正夫”架构与超导量子器件（如SNSPD、超导谐振器和量子比特）兼容，为未来的量子信息处理带来了令人兴奋的机遇。