近年來，為了傳統(tǒng)聲光器件缺點，研究人員一直在努力開發(fā)新型的聲光器件，以提高性能，降低成本，并實現(xiàn)器件微型化和集成化。與傳統(tǒng)器件相比，片上聲光子集成電路能夠允許聲表面波（SAW）和光波很好地限制在微納米尺度壓電薄膜表面?zhèn)鬏敚沟闷骷诓ㄩL尺度下表現(xiàn)出較高的聲光能量重疊和較低的能耗。SAW驅動的片上集成聲光調制器因其體積小、高效率、低能耗、易集成等優(yōu)點，成為微波到光波高效轉換的關鍵技術。常用于聲光調制的壓電材料包括鉭酸鋰、鈮酸鋰、氮化鋁、鋁鈧氮、氧化鋅和氮化鎵等（如圖1）。薄膜鈮酸鋰（TFLN）的興起，為片上鈮酸鋰光子學的發(fā)展奠定了扎實的基礎。
圖1 不同壓電薄膜的對比
據麥姆斯咨詢報道，寧夏大學、暨南大學、上海交通大學與中山大學組成的科研團隊總結了薄膜鈮酸鋰聲光調制器的最新研究進展，還探討了薄膜鈮酸鋰聲光調制器在濾波器、聲光頻移與激光雷達、隔離器、微波-光波轉換方面的應用潛力，并對片上聲光調制器的未來研究趨勢進行了簡單的展望。相關研究內容以“薄膜鈮酸鋰聲光調制器的研究進展（特邀）”為題發(fā)表在《激光與光電子學進展》期刊上。
片上聲光調制器的基本原理
聲學與光學模式
片上聲光調制器中，聲波由壓電薄膜的壓電效應產生。壓電效應分為正壓電效應與逆壓電效應。當壓電晶體材料的某一方向上受到外力作用時，其內部會產生極化現(xiàn)象，在材料的兩個相對表面上會產生正負相反的電荷，這種由外力使晶體產生電的現(xiàn)象稱為正壓電效應。同理，若給壓電晶體施加電場，也會使晶體產生位移，即產生機械形變，這便是逆壓電效應，具體見圖2（a）。在設計大多數(shù)聲光器件時，通常選擇激發(fā)的聲波種類為SAW。SAW是沿薄膜表面或界面?zhèn)鞑サ牟ǎ且环N彈性波。半無限大基片上的SAW包括瑞利波（Rayleigh wave）和水平剪切波（SH wave）。SAW由放置在壓電薄膜表面上交叉排列的金屬電極激發(fā)產生，該電極結構形如交叉的手指，又被稱為叉指換能器（IDT）。叉指換能器的基本結構以及聲波模式類型如圖2（b）所示，其中SAW的瑞利模式和水平剪切模式通過周期型IDT模型來展示。在聲光調制器的設計過程中，還需要結合聲光耦合效果，通過仿真對光波導的幾何結構進行優(yōu)化，最終確定光波導的光學模式。
圖2 片上聲光調制器的基本原理
光機耦合效應
聲光調制的本質是研究聲光相互作用。聲光相互作用首先是利用微波信號激發(fā)SAW，SAW產生的機械形變會改變光波傳播模式的相位或振幅，進而實現(xiàn)對光波擾動的目標。這個物理過程具體涉及三種光機耦合效應，包括移動邊界效應、彈光效應和電光效應，圖2（d）描述了它們之間的關系。
片上聲光調制器的性能指標
綜上可知，片上聲光調制器涉及微波-聲波-光波三者間的相互作用，聲波參與了微波與光波信號之間的轉換。在實際的器件設計過程中，為了滿足聲光調制器在量子信息傳導方面的應用需求，理清能量傳遞關系，評估微波到聲波、微波到光波的轉換效率至關重要。
片上聲光調制器的研究進展
近些年，基于TFLN的片上聲光調制器的加工技術得到了快速的發(fā)展。從集成器件的材料構成來看，先后出現(xiàn)了同質（使用同一種薄膜材料作為壓電層和光波導）和混合集成的波導結構。
對于同質集成結構，2019年，卡內基梅隆大學Cai等在TFLN平臺上實現(xiàn)了兩種結構的聲光調制器，分別是MZI和跑道微環(huán)結構（RT），如圖3（a）所示。為了進一步提高器件的調制效率，哈佛大學Loncar課題組的Shao等提出了基于懸浮TFLN結構的聲光調制器，并先后研制了MZI和RT兩種結構的聲光調制器。事實上，懸浮聲學腔的制備需要對TFLN平板進行掏空處理，如圖3（b）所示，掏空襯底去除的一般為薄膜鈮酸鋰下方的二氧化硅層，使得鈮酸鋰薄膜呈懸浮態(tài)，這無疑對器件的加工提出了很高的要求。除了鈮酸鋰和硅襯底之外，藍寶石襯底也被選擇用于聲學器件的研制。2020年，斯坦福大學Safavi課題組的Sarabalis等為解決晶格失配問題，利用藍寶石材料的高聲速及其與鈮酸鋰聲阻抗的顯著差異，首次提出了藍寶石襯底上TFLN聲光調制器，如圖3（c）所示，并對比了瑞利聲波與水平剪切波模式的調制效果，獲得了瑞利聲波模式調制效果更佳的結論。
圖3 同質集成的片上TFLN聲光調制器
為了實現(xiàn)寬帶高效的聲光調制，2021年，美國伊利諾斯大學香檳分校的Hassanien等使用雙電極IDT，結合蘭姆波聲學模式的激發(fā)，提出了基于懸浮光子晶體（OMC）結構的聲光調制器，如圖4（a）所示。同樣是利用懸浮光子晶體作為調制波導，2020年，斯坦福大學Safavi課題組的Jiang等在懸浮狀X切TFLN上制備了基于一維光子晶體納米梁的聲光調制器，如圖4（b）所示。
圖4 基于懸浮光子晶體結構的片上聲光調制器
所謂混合集成的片上聲光調制器，指的是壓電薄膜不完全作為波導材料，整個波導器件由至少兩種主體薄膜材料構成，波導器件通常是部分刻蝕。圖5展示了幾種典型的混合集成片上聲光調制器。2020年，利用連續(xù)譜束縛態(tài)的物理機制，香港中文大學Yu等通過在TFLN表面混合集成低折射率的聚合物，構造了滿足連續(xù)譜束縛態(tài)的光波導結構，目的是在微環(huán)諧振器中獲得較高的光學Q值，如圖5（a）所示。鑒于此，2021年，該團隊又利用薄膜鈮酸鋰-聚合物混合集成波導平臺，設計了片上聲光偏轉器。在滿足相位匹配的條件下，實現(xiàn)了3 GHz的聲光移頻，并獲得了邊帶抑制比高達51 dB的單邊帶調制，測試結果如圖5（b）所示。此外，2022年，暨南大學Wan等充分利用硫系玻璃材料優(yōu)異的光彈特性，結合反對稱聲波模式設計，提出了一種薄膜鈮酸鋰-硫系玻璃混合集成的非懸浮推挽式MZI聲光調制器，器件結構示意圖如圖5（c）所示。
圖5 片上混合集成的聲光調制器
片上聲光調制器的應用
傳統(tǒng)體材料的聲光調制器在許多領域有著廣泛的應用，例如，量子通信、光學傳感、激光技術和光學成像等。隨著片上集成聲光調制器的不斷發(fā)展，一些新興的應用領域逐漸被拓展，例如，濾波器、激光雷達和隔離器等。
濾波器
對于使用鈮酸鋰壓電薄膜材料的情況，2023年，香港中文大學Yu等結合免刻蝕鈮酸鋰的混合集成技術和連續(xù)譜束縛態(tài)新機制，利用單臂調制的微環(huán)聲光調制器，分別在兩個微波頻率附近實現(xiàn)了4抽頭和6抽頭的微波光子濾波器，如圖6（a）所示。
圖6 微波光子濾波器與激光雷達
聲光頻移與激光雷達
聲光頻移是指通過聲光調制技術改變光波的頻率量，在這個過程中，聲波的能量被轉化成光波頻率的變化。光的頻移和偏轉都是光學信號處理的重要手段，在光通信、激光雷達等領域具備重要的應用價值。近些年，隨著智能駕駛和人工智能領域的發(fā)展，不同的波束控制技術應運而生，關于激光雷達的研究逐漸成為熱點。2023年，美國華盛頓大學Li等利用TFLN平臺，結合平面波導衍射光柵和SAW技術，提出了一種基于片上聲光偏轉器的光束控制方案，如圖6（b）所示。
隔離器
隔離器是一種光學器件，用于控制和調節(jié)光的傳輸方向，在光纖通信系統(tǒng)中具有重要的作用。傳統(tǒng)光隔離器通常利用的是磁光效應，且不容易在光子集成電路上實現(xiàn)。近些年，電驅動集成隔離器的研究取得了較大的進步。2021年，斯坦福大學的Sarabalis等利用光學模式的模間散射原理，提出了基于亞波長懸浮鈮酸鋰直波導片上高效的聲光調制器，在滿足相位匹配的條件下，演示了該器件在非互易傳輸和隔離器方面的應用潛力，如圖7（a）所示。基于類似的原理，2021年，伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的Sohn等同樣利用鈮酸鋰介質波導，在RT微環(huán)諧振器上實現(xiàn)了一種光隔離器，如圖7（b）所示。
圖7 基于TFLN聲光調制器的光隔離器
微波到光波的轉換
基于TFLN的聲光調制器可以實現(xiàn)微波到光波的轉換，主要對微波到光波的轉換效率進行簡要的討論。微波到光波的轉換效率取決于聲光調制器的聲學外部耦合率、光學外部耦合率以及叉指換能器產生的聲子數(shù)。因此，確保叉指換能器的阻抗匹配和光學模式的有效耦合對提高微波到光波的轉換效率至關重要。另外，在低溫環(huán)境可以實現(xiàn)更低的聲波損耗，提高器件的穩(wěn)定性，這也為提高微波-光波轉換效率帶來了發(fā)展的可能性。
總結
綜上所述，片上聲光調制器作為光子集成器件的重要組成部分，已經在高速調制和集成技術等方面取得了顯著的研究進展。通過優(yōu)化光波、聲波傳播介質或結構，改進聲波激勵方式，片上聲光調制器的調制效率已經得到了顯著提高。目前，基于TFLN的光學微腔已經實現(xiàn)了~10?的光學Q值，高品質因子的微腔可以增強聲光調制器中光子-聲子間的相互作用，提高聲光調制效率，降低器件的功耗。同時，新型聲光調制結構和材料的使用，使得片上聲光調制器在調制效率、能量承載力和魯棒性等方面有了重大的突破。聲光調制與集成光學技術的結合，也為其在光學系統(tǒng)中的應用帶來了許多新的可能性。下一步，片上聲光調制器的研究將繼續(xù)朝著高效、高速、大寬帶、高能量承載、集成化和多功能方向發(fā)展，希望將來在量子信息技術，微波光子信號處理、激光器和精密光譜測量等領域發(fā)揮越來越重要的作用，進而推動片上聲光子學的快速發(fā)展。
論文鏈接：
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