【今日分享】前沿進(jìn)展|新型薄膜鈮酸鋰混合集成微環(huán)聲光調(diào)制器的誕生

高效的聲光調(diào)制在微波到光的轉(zhuǎn)換中起著至關(guān)重要的作用。近期，寧夏大學(xué)物理學(xué)院與暨南大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院、浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院、中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院、上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院等單位合作，成功研制出一種新型薄膜鈮酸鋰混合集成微環(huán)聲光調(diào)制器，它在調(diào)制效率方面展現(xiàn)出卓越性能。具體內(nèi)容以“Hybrid Thin-Film Lithium Niobate Micro-Ring Acousto-Optic Modulator with Low Half-Voltage-Length Product”為題發(fā)表在《Laser & Photonics Reviews》上。

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/lpor.202401832

集成聲光子技術(shù)在經(jīng)典與量子信息轉(zhuǎn)換間架起了互通的橋梁，是光子集成回路領(lǐng)域的新興方向，近些年備受關(guān)注。高效的微波-光波轉(zhuǎn)換對于微波信號處理、量子比特傳輸和光機(jī)械傳感等應(yīng)用至關(guān)重要。片上集成聲光調(diào)制器作為實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，其性能主要依賴于波導(dǎo)材料的壓電和光彈性效應(yīng)，以及器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

當(dāng)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(diào)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(yīng)用場景時，性能上仍有很大的提升空間。隨著薄膜鈮酸鋰（TFLN）聲光子學(xué)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(diào)制器的研究提供了新的契機(jī)。基于薄膜鈮酸鋰平臺，主要有兩種主流的器件設(shè)計方案。一種是通過懸浮TFLN構(gòu)建聲學(xué)諧振腔來實(shí)現(xiàn)高效聲光調(diào)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(shù)問題。另外一種思路是基于非懸浮TFLN平臺，結(jié)合光學(xué)/聲學(xué)波導(dǎo)設(shè)計與模式調(diào)控等技術(shù)手段，進(jìn)一步提高器件調(diào)制效率并增強(qiáng)實(shí)用性。鑒于此，為了展現(xiàn)集成聲光調(diào)制器的功能與潛力，不同的器件原型新進(jìn)展層出不窮。

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(diào)制器，其結(jié)構(gòu)主要包含TFLN-ChG混合集成微環(huán)諧振器與偶數(shù)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(shù)的ChG薄膜，形成了混合波導(dǎo)的芯層，用于限制光學(xué)模式。IDT則用于產(chǎn)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(yīng)擾動波導(dǎo)中的光學(xué)模式。

圖1 器件結(jié)構(gòu)的示意圖

研究團(tuán)隊(duì)通過精心設(shè)計IDT電極配置，在2.5 GHz頻率范圍內(nèi)成功激發(fā)出了三種聲學(xué)模式，如圖2(b)所示，在非懸浮ChG加載的TFLN微環(huán)波導(dǎo)平臺上實(shí)現(xiàn)了雙臂聲光調(diào)制。在0.84 GHz下，與之前的單臂調(diào)制器相比，雙臂調(diào)制使效率VπL提升了兩倍多。該調(diào)制效率顯著優(yōu)于現(xiàn)有非懸浮TFLN集成聲光調(diào)制器，且與現(xiàn)有懸浮薄膜鈮酸鋰聲光調(diào)制器最佳的調(diào)制效率相當(dāng)。同時，研究人員還對比了雙臂配置下，不同電極對數(shù)IDT對調(diào)制效率的影響。在電極對數(shù)為偶數(shù)對時，該調(diào)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(qiáng)度，研究人員重新定義了行波調(diào)制下的聲光耦合強(qiáng)度，并給出了微波-光波轉(zhuǎn)換效率的具體表達(dá)。

圖2 薄膜鈮酸鋰混合集成微環(huán)聲光調(diào)制器的光學(xué)透射譜（a）與S參數(shù)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(diào)制器的調(diào)制效率解析表達(dá)式。通過改變藍(lán)失諧偏置點(diǎn)位置，分別通過數(shù)值計算和實(shí)驗(yàn)測量深入分析了調(diào)制效率的演變，詳細(xì)研究了偏置點(diǎn)位置對調(diào)制效率的影響，相關(guān)結(jié)果如圖3(c)。特別在射頻功率RF = 12 dBm的情況下，調(diào)制器產(chǎn)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(xiàn)了雙臂集成微環(huán)聲光調(diào)制器優(yōu)異的調(diào)制效果。

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

該研究成功開發(fā)出一種混合集成的片上微環(huán)聲光調(diào)制器。通過合理的理論仿真探究，優(yōu)化光學(xué)波導(dǎo)和IDT設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)9 mV?cm 的調(diào)制效率。研究人員還深入分析了偏置點(diǎn)對調(diào)制效率的影響，揭示了調(diào)制效率VπL的演變規(guī)律。計算得出了該調(diào)制器在0.84 GHz時的聲光耦合系數(shù)和光子數(shù)轉(zhuǎn)換效率，展示了其在微波到光波轉(zhuǎn)換方面的潛力。該高效微環(huán)聲光調(diào)制器的問世，為片上壓電光機(jī)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(dá)（LiDAR）、量子信息轉(zhuǎn)換等先進(jìn)集成芯片的發(fā)展。