低功耗薄膜鈮酸鋰微環(huán)聲光調制-光波共振“遇見”聲波 | 前沿進展

　    研究背景

　　集成聲光子技術在經典與量子信息轉換間架起了互通的橋梁，是光子集成回路領域的新興方向，近些年備受關注。高效的微波-光波轉換對于微波信號處理、量子比特傳輸和光機械傳感等應用至關重要。片上集成聲光調制器作為實現這一轉換的關鍵元件，其性能主要依賴于波導材料的壓電和光彈性效應，以及器件結構的設計。

　　當前，基于氮化鋁(AlN)、鋁鈧氮(AlScN)、砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、氮化鎵(GaN)、鋯鈦酸鉛(PZT)等多種壓電材料的集成聲光調制器已被陸續(xù)報道，但在滿足不同微波或光波信號處理應用場景時，性能上仍有很大的提升空間。隨著TFLN聲光子學的發(fā)展，其優(yōu)異的壓電和光彈特性，為高性能集成聲光調制器的研究提供了新的契機。基于TFLN平臺，主要有兩種主流的器件設計方案。一種是通過懸浮TFLN構建聲學諧振腔來實現高效聲光調制，但該方案存在器件制備困難和射頻功率處理能力低的技術問題。另外一種思路是基于非懸浮TFLN平臺，結合光學/聲學波導設計與模式調控等技術手段，進一步提高器件調制效率并增強實用性。鑒于此，為了展現集成聲光調制器的功能與潛力，不同的器件原型新進展層出不窮。

　　研究創(chuàng)新點

　　此研究利用ChG加載的TFLN平臺，展示了一種非懸浮的跑道型微環(huán)集成聲光調制器，其結構主要包含TFLN-ChG混合集成微環(huán)諧振器與偶數對電極的叉指換能器(IDT)，如圖1所示。研究人員在X切的TFLN平板上混合集成具有高光彈性系數的ChG薄膜，形成了混合波導的芯層，用于限制光學模式。IDT則用于產生對稱表面聲波(SAW)，作用于跑道微環(huán)的雙臂位置，借助光彈和移動邊界效應擾動波導中的光學模式。

　　圖1 器件結構的示意圖

　　研究團隊通過精心設計IDT電極配置，在2.5 GHz頻率范圍內成功激發(fā)出了三種聲學模式，如圖2(b)所示，在非懸浮ChG加載的TFLN微環(huán)波導平臺上實現了雙臂聲光調制。在0.84 GHz下，與之前的單臂調制器相比，雙臂調制使效率VπL提升了兩倍多。該調制效率顯著優(yōu)于現有非懸浮TFLN集成聲光調制器，且與現有懸浮薄膜鈮酸鋰聲光調制器最佳的調制效率相當。同時，研究人員還對比了雙臂配置下，不同電極對數IDT對調制效率的影響。在電極對數為偶數對時，該調制器的等效半波電壓長度積低至9 mV?cm。為闡明聲光相互作用強度，研究人員重新定義了行波調制下的聲光耦合強度，并給出了微波-光波轉換效率的具體表達。

　　圖2 薄膜鈮酸鋰混合集成微環(huán)聲光調制器的光學透射譜(a)與S參數表征(b)

　　另外，研究人員從微環(huán)諧振器的理論出發(fā)，重新定義了適用于微環(huán)聲光調制器的調制效率解析表達式。通過改變藍失諧偏置點位置，分別通過數值計算和實驗測量深入分析了調制效率的演變，詳細研究了偏置點位置對調制效率的影響，相關結果如圖3(c)。特別在射頻功率RF = 12 dBm的情況下，調制器產生了共計五階的光邊帶，如圖3(d)所示。借助光邊帶理論擬合，很好的展現了雙臂集成微環(huán)聲光調制器優(yōu)異的調制效果。

　　圖3 三種聲學模式下，偏置波長對聲光調制效率的影響(c)和最佳的調制光邊帶結果(d)

　　總結與展望

　　該研究成功開發(fā)出一種混合集成的片上微環(huán)聲光調制器。通過合理的理論仿真探究，優(yōu)化光學波導和IDT設計，實現了高達9 mV?cm 的調制效率。研究人員還深入分析了偏置點對調制效率的影響，揭示了調制效率VπL的演變規(guī)律。計算得出了該調制器在0.84 GHz時的聲光耦合系數和光子數轉換效率，展示了其在微波到光波轉換方面的潛力。該高效微環(huán)聲光調制器的問世，為片上壓電光機械相互作用器件的研究開辟了新途徑，有望推動高性能微波光子處理器、光隔離器、激光雷達(LiDAR)、量子信息轉換等先進集成芯片的發(fā)展。

    參考文獻： 中國光學期刊網 

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