科学家开发多功能集成布里渊光子芯片，有望用于光学原子钟等领域

近期，荷兰特文特大学大卫·马邦（David Marpaung）教授课题组与香港城市大学王骋教授课题组合作，基于薄膜铌酸锂（TFLN，Thin-Film Lithium Niobate）平台成功开发了多功能布里渊光子引擎。

这是首次在同一 TFLN 平台上集成了布里渊光子学多种功能模块，包括集成调制器、环形谐振器和受激布里渊散射（SBS，Stimulated Brillouin Scattering）螺旋。不仅提高了系统的集成度和性能，还降低了噪声系数。

实验结果显示，在特定旋转角度的波导中，通过引入表面声波实现了布里渊增益系数超过 50m-1W-1，最高达到 84.9m-1W-1，这一数值比传统的氮化硅平台提升了接近两个数量级，为高性能微波光子系统的开发提供了新的思路。

“我们通过将实现高效布里渊增益的物理机制引入标准工艺平台，有效降低了技术门槛，这将加速推动基于受激布里渊散射的应用实现规模化和产品化。”该论文第一作者、特文特大学博士生叶开轩对 DeepTech 表示。

值得注意的是，该技术无需改变现有工艺步骤即可直接部署，为研究受激布里渊效应与其他功能模块的协同设计提供了便利条件。

这项研究具有重要的科学意义和应用价值。一方面，它为紧凑型低噪声射频振荡器的开发奠定了基础；另一方面，集成了受激布里渊散射的光学芯片在多个领域展现出巨大应用潜力，包括微波光子学（雷达、无线通信等）、片上激光器、光学原子钟、陀螺仪以及光计算等。

审稿人对该研究评价称：“这项研究是朝着在下一代微波光子学和激光系统中，实际部署布里渊光子学迈出的关键一步。”并认为，其会改变现有集成集成布里渊光学的研究方向。

近日，相关论文以《薄膜铌酸锂中的集成布里渊光子学》（Integrated Brillouin photonics in thin-film lithium niobate）为题发表在Science Advances[1]。特文特大学博士生叶开轩和香港城市大学博士生冯寒珂是共同第一作者，大卫·马邦教授和王骋教授担任共同通讯作者。

这项研究的背景可追溯至大卫·马邦教授早年的工作经历。在澳大利亚悉尼大学工作期间，他的课题组首次在硫系玻璃芯片上观测到受激布里渊散射信号。

硫系玻璃因其低声速特性而具有独特优势，团队基于此开发了一系列微波光子应用，并受到广泛关注。然而，硫系玻璃化学性质不稳定且具有毒性，严重限制了其实际应用前景。

转至特文特大学后，课题组在氮化硅平台上实现了微波光子滤波器应用，但受限于增益过小，实验需要极高的激光功率。研究突破的关键转折出现在 2023 年。当时美国哈佛大学和巴西研究团队在预印本网站arXiv发表的理论研究指出，TFLN 平台通过表面声波可能实现较大增益。

叶开轩回忆道：“读到这篇论文时我非常兴奋，恰逢在美国参加学术会议时与冯寒珂取得联系，促成了这次合作。”借助王骋课题组设计的芯片和马邦课题组搭建的高精度受激布里渊散射测试平台，团队很快成功观测到 TFLN 平台上的布里渊散射信号，这是该领域的首次突破。

在技术实现层面，该研究面临多重挑战。薄膜铌酸锂平台需要同时满足多项关键指标：在保证芯片光功率低损耗的前提下，实现高带宽调制器和较高的 SBS 增益。研究团队通过精细调控加工过程中的各项工艺参数，成功克服了这些技术难题。

更为突出的是，该课题组首次在 TFLN 平台上实现了净内部增益放大器，其增益足以补偿波导的本征传播损耗。基于这一突破，研究团队进一步研制出全球首个基于 TFLN 的受激布里渊激光器（SBL，Stimulated Brillouin Laser）。

该激光器采用高品质因数环形谐振腔，通过精确匹配布里渊频移与谐振腔的自由光谱范围，实现了超过 20 纳米的宽调谐范围。通过泵浦激光与 SBL 信号的拍频，团队还生成了纯度极高的射频信号，其本征线宽仅为 9.4 赫兹。叶开轩指出：“这一特性有望显著缩小光学原子钟的体积，展现出广阔的应用前景。”

布里渊增益的角度依赖性为研究人员提供了一个全新的调控维度，这一特性在传统光子学平台上难以实现。在常规材料体系中，一旦工艺步骤确定，波导的布里渊散射特性便固定不变，缺乏动态调控能力。

然而，在 TFLN 平台上，研究人员可以根据不同的应用需求灵活设计不同取向的 TFLN 波导，并通过精密的版图设计实现对其布里渊特性的精确控制。这一技术突破对推动光子学系统的集成化和小型化发展具有重要的意义。

回顾传统的技术路线，受限于材料和工艺的局限性，光、电、声三个功能模块通常需要分别在不同材料平台上实现，例如调制器采用硅光平台、微环使用氮化硅材料、SBS 螺旋波导则需依赖硫系玻璃。

这种多平台分离的实现方式不仅增加了系统复杂度，更导致光信号在多次耦合转换过程中引入显著的额外损耗。如今，基于 TFLN 平台的多功能集成方案成功实现了这三个核心功能的协同工作，不仅大幅缩减了系统体积，还显著降低了整体功耗，为集成光子学的发展开辟了新途径。

这种技术突破在多个关键应用领域展现出巨大潜力，具体来说：

在精密测量领域，以陀螺仪为例，其核心部件需要性能优异的窄线宽激光器，而该课题组研发的受激布里渊激光器恰好能满足这一严苛要求。

在无线通信领域，GPS 信号串扰一直是个棘手问题，特别是在大数据量传输场景下，接收端不可避免地会捕获到邻近频段的干扰信号，这就需要超窄线宽的滤波器来精确筛选目标频段。

叶开轩解释道：“实现的线宽越窄，信号传输的精度就越高，最终可实现的通信带宽也越大。在这种应用场景下，窄线宽滤波器具有不可替代的重要价值。”

这一技术优势在雷达系统中同样意义重大，当面临敌方故意释放的干扰信号时，超窄线宽激光滤波器可以精准锁定目标信号，为有效规避干扰信号的影响创造了可能性。

从材料特性角度来看，TFLN 平台相比传统材料展现出显著优势。与硫系玻璃相比，TFLN 不仅化学性质更加稳定，能够耐受更高的光功率负载，还能适应更复杂的环境变化；相较于氮化硅平台，TFLN 的声光耦合效率提升了两个数量级，这意味着实现相同受激布里渊增益所需的泵浦功率大幅降低。

此外，TFLN 平台已成熟商用的高带宽电光调制器技术，可以与受激布里渊散射应用实现无缝集成，这种协同效应将有力推动高性能无线通信系统的创新发展。

目前，该研究已成功验证了技术路线的可行性，但在系统稳定性等方面仍需进一步优化。研究人员正着手通过引入反馈控制机制、结合先进电学芯片等方案，致力于开发更稳定的受激布里渊激光器系统，并深入探索其在集成光学原子钟等前沿领域的应用潜力。

在成果转化方面，团队计划通过 IP 授权或成立初创公司等方式，在近期内实现这项突破性技术的商业化应用，推动其从实验室走向实际应用。

参考资料：

1.Ye,K., Feng,H. et al. Integrated Brillouin photonics in thin-film lithium niobate.Science Advances11,18（2025）. DOI: 10.1126/sciadv.adv40

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