近期，荷蘭特文特大學大衛·馬邦（David Marpaung）教授課題組與香港城市大學王騁教授課題組合作，基于薄膜鈮酸鋰（TFLN，Thin-Film Lithium Niobate）平臺成功開發了多功能布里淵光子引擎。

這是首次在同一 TFLN 平臺上集成了布里淵光子學多種功能模塊，包括集成調制器、環形諧振器和受激布里淵散射（SBS，Stimulated Brillouin Scattering）螺旋。不僅提高了系統的集成度和性能，還降低了噪聲系數。

實驗結果顯示，在特定旋轉角度的波導中，通過引入表面聲波實現了布里淵增益系數超過 50m-1W-1，最高達到 84.9m-1W-1，這一數值比傳統的氮化硅平臺提升了接近兩個數量級，為高性能微波光子系統的開發提供了新的思路。

圖丨薄膜鈮酸鋰布里淵散射光學芯片實拍圖（來源：葉開軒）

“我們通過將實現高效布里淵增益的物理機制引入標準工藝平臺，有效降低了技術門檻，這將加速推動基于受激布里淵散射的應用實現規模化和產品化。”該論文第一作者、特文特大學博士生葉開軒對 DeepTech 表示。

值得注意的是，該技術無需改變現有工藝步驟即可直接部署，為研究受激布里淵效應與其他功能模塊的協同設計提供了便利條件。

這項研究具有重要的科學意義和應用價值。一方面，它為緊湊型低噪聲射頻振蕩器的開發奠定了基礎；另一方面，集成了受激布里淵散射的光學芯片在多個領域展現出巨大應用潛力，包括微波光子學（雷達、無線通信等）、片上激光器、光學原子鐘、陀螺儀以及光計算等。

審稿人對該研究評價稱：“這項研究是朝著在下一代微波光子學和激光系統中，實際部署布里淵光子學邁出的關鍵一步。”并認為，其會改變現有集成集成布里淵光學的研究方向。

圖丨葉開軒在實驗室（來源：葉開軒）

近日，相關論文以《薄膜鈮酸鋰中的集成布里淵光子學》（Integrated Brillouin photonics in thin-film lithium niobate）為題發表在Science Advances[1]。特文特大學博士生葉開軒和香港城市大學博士生馮寒珂是共同第一作者，大衛·馬邦教授和王騁教授擔任共同通訊作者。

圖丨相關論文（來源：Science Advances）

這項研究的背景可追溯至大衛·馬邦教授早年的工作經歷。在澳大利亞悉尼大學工作期間，他的課題組首次在硫系玻璃芯片上觀測到受激布里淵散射信號。

硫系玻璃因其低聲速特性而具有獨特優勢，團隊基于此開發了一系列微波光子應用，并受到廣泛關注。然而，硫系玻璃化學性質不穩定且具有毒性，嚴重限制了其實際應用前景。

轉至特文特大學后，課題組在氮化硅平臺上實現了微波光子濾波器應用，但受限于增益過小，實驗需要極高的激光功率。研究突破的關鍵轉折出現在 2023 年。當時美國哈佛大學和巴西研究團隊在預印本網站arXiv發表的理論研究指出，TFLN 平臺通過表面聲波可能實現較大增益。

葉開軒回憶道：“讀到這篇論文時我非常興奮，恰逢在美國參加學術會議時與馮寒珂取得聯系，促成了這次合作。”借助王騁課題組設計的芯片和馬邦課題組搭建的高精度受激布里淵散射測試平臺，團隊很快成功觀測到 TFLN 平臺上的布里淵散射信號，這是該領域的首次突破。

圖丨單片 TFLN 布里淵光子引擎（來源：Science Advances）

在技術實現層面，該研究面臨多重挑戰。薄膜鈮酸鋰平臺需要同時滿足多項關鍵指標：在保證芯片光功率低損耗的前提下，實現高帶寬調制器和較高的 SBS 增益。研究團隊通過精細調控加工過程中的各項工藝參數，成功克服了這些技術難題。

更為突出的是，該課題組首次在 TFLN 平臺上實現了凈內部增益放大器，其增益足以補償波導的本征傳播損耗。基于這一突破，研究團隊進一步研制出全球首個基于 TFLN 的受激布里淵激光器（SBL，Stimulated Brillouin Laser）。

該激光器采用高品質因數環形諧振腔，通過精確匹配布里淵頻移與諧振腔的自由光譜范圍，實現了超過 20 納米的寬調諧范圍。通過泵浦激光與 SBL 信號的拍頻，團隊還生成了純度極高的射頻信號，其本征線寬僅為 9.4 赫茲。葉開軒指出：“這一特性有望顯著縮小光學原子鐘的體積，展現出廣闊的應用前景。”

布里淵增益的角度依賴性為研究人員提供了一個全新的調控維度，這一特性在傳統光子學平臺上難以實現。在常規材料體系中，一旦工藝步驟確定，波導的布里淵散射特性便固定不變，缺乏動態調控能力。

然而，在 TFLN 平臺上，研究人員可以根據不同的應用需求靈活設計不同取向的 TFLN 波導，并通過精密的版圖設計實現對其布里淵特性的精確控制。這一技術突破對推動光子學系統的集成化和小型化發展具有重要的意義。

圖丨薄膜鈮酸鋰平臺上受激布里淵散射效果圖（來源：葉開軒）

回顧傳統的技術路線，受限于材料和工藝的局限性，光、電、聲三個功能模塊通常需要分別在不同材料平臺上實現，例如調制器采用硅光平臺、微環使用氮化硅材料、SBS 螺旋波導則需依賴硫系玻璃。

這種多平臺分離的實現方式不僅增加了系統復雜度，更導致光信號在多次耦合轉換過程中引入顯著的額外損耗。如今，基于 TFLN 平臺的多功能集成方案成功實現了這三個核心功能的協同工作，不僅大幅縮減了系統體積，還顯著降低了整體功耗，為集成光子學的發展開辟了新途徑。

（來源：Science Advances）

這種技術突破在多個關鍵應用領域展現出巨大潛力，具體來說：

在精密測量領域，以陀螺儀為例，其核心部件需要性能優異的窄線寬激光器，而該課題組研發的受激布里淵激光器恰好能滿足這一嚴苛要求。

在無線通信領域，GPS 信號串擾一直是個棘手問題，特別是在大數據量傳輸場景下，接收端不可避免地會捕獲到鄰近頻段的干擾信號，這就需要超窄線寬的濾波器來精確篩選目標頻段。

葉開軒解釋道：“實現的線寬越窄，信號傳輸的精度就越高，最終可實現的通信帶寬也越大。在這種應用場景下，窄線寬濾波器具有不可替代的重要價值。”

這一技術優勢在雷達系統中同樣意義重大，當面臨敵方故意釋放的干擾信號時，超窄線寬激光濾波器可以精準鎖定目標信號，為有效規避干擾信號的影響創造了可能性。

從材料特性角度來看，TFLN 平臺相比傳統材料展現出顯著優勢。與硫系玻璃相比，TFLN 不僅化學性質更加穩定，能夠耐受更高的光功率負載，還能適應更復雜的環境變化；相較于氮化硅平臺，TFLN 的聲光耦合效率提升了兩個數量級，這意味著實現相同受激布里淵增益所需的泵浦功率大幅降低。

此外，TFLN 平臺已成熟商用的高帶寬電光調制器技術，可以與受激布里淵散射應用實現無縫集成，這種協同效應將有力推動高性能無線通信系統的創新發展。

（來源：Science Advances）

目前，該研究已成功驗證了技術路線的可行性，但在系統穩定性等方面仍需進一步優化。研究人員正著手通過引入反饋控制機制、結合先進電學芯片等方案，致力于開發更穩定的受激布里淵激光器系統，并深入探索其在集成光學原子鐘等前沿領域的應用潛力。

在成果轉化方面，團隊計劃通過 IP 授權或成立初創公司等方式，在近期內實現這項突破性技術的商業化應用，推動其從實驗室走向實際應用。

參考資料：

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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