【今日分享】前沿进展|新型薄膜铌酸锂混合集成微环声光调制器的诞生

高效的声光调制在微波到光的转换中起着至关重要的作用。近期，宁夏大学物理学院与暨南大学信息科学技术学院、浙江大学光电科学与工程学院、中山大学电子与信息工程学院、上海交通大学物理与天文学院等单位合作，成功研制出一种新型薄膜铌酸锂混合集成微环声光调制器，它在调制效率方面展现出卓越性能。具体内容以“Hybrid Thin-Film Lithium Niobate Micro-Ring Acousto-Optic Modulator with Low Half-Voltage-Length Product”为题发表在《Laser & Photonics Reviews》上。

文章链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202401832

集成声光子技术在经典与量子信息转换间架起了互通的桥梁，是光子集成回路领域的新兴方向，近些年备受关注。高效的微波-光波转换对于微波信号处理、量子比特传输和光机械传感等应用至关重要。片上集成声光调制器作为实现这一转换的关键元件，其性能主要依赖于波导材料的压电和光弹性效应，以及器件结构的设计。

当前，基于氮化铝（AlN）、铝钪氮（AlScN）、砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、氮化镓（GaN）、锆钛酸铅(PZT)等多种压电材料的集成声光调制器已被陆续报道，但在满足不同微波或光波信号处理应用场景时，性能上仍有很大的提升空间。随着薄膜铌酸锂（TFLN）声光子学的发展，其优异的压电和光弹特性，为高性能集成声光调制器的研究提供了新的契机。基于薄膜铌酸锂平台，主要有两种主流的器件设计方案。一种是通过悬浮TFLN构建声学谐振腔来实现高效声光调制，但该方案存在器件制备困难和射频功率处理能力低的技术问题。另外一种思路是基于非悬浮TFLN平台，结合光学/声学波导设计与模式调控等技术手段，进一步提高器件调制效率并增强实用性。鉴于此，为了展现集成声光调制器的功能与潜力，不同的器件原型新进展层出不穷。

此研究利用ChG加载的TFLN平台，展示了一种非悬浮的跑道型微环集成声光调制器，其结构主要包含TFLN-ChG混合集成微环谐振器与偶数对电极的叉指换能器（IDT），如图1所示。研究人员在X切的TFLN平板上混合集成具有高光弹性系数的ChG薄膜，形成了混合波导的芯层，用于限制光学模式。IDT则用于产生对称表面声波（SAW），作用于跑道微环的双臂位置，借助光弹和移动边界效应扰动波导中的光学模式。

图1 器件结构的示意图

研究团队通过精心设计IDT电极配置，在2.5 GHz频率范围内成功激发出了三种声学模式，如图2(b)所示，在非悬浮ChG加载的TFLN微环波导平台上实现了双臂声光调制。在0.84 GHz下，与之前的单臂调制器相比，双臂调制使效率VπL提升了两倍多。该调制效率显著优于现有非悬浮TFLN集成声光调制器，且与现有悬浮薄膜铌酸锂声光调制器最佳的调制效率相当。同时，研究人员还对比了双臂配置下，不同电极对数IDT对调制效率的影响。在电极对数为偶数对时，该调制器的等效半波电压长度积低至9 mV∙cm。为阐明声光相互作用强度，研究人员重新定义了行波调制下的声光耦合强度，并给出了微波-光波转换效率的具体表达。

图2 薄膜铌酸锂混合集成微环声光调制器的光学透射谱（a）与S参数表征（b）

另外，研究人员从微环谐振器的理论出发，重新定义了适用于微环声光调制器的调制效率解析表达式。通过改变蓝失谐偏置点位置，分别通过数值计算和实验测量深入分析了调制效率的演变，详细研究了偏置点位置对调制效率的影响，相关结果如图3(c)。特别在射频功率RF = 12 dBm的情况下，调制器产生了共计五阶的光边带，如图3(d)所示。借助光边带理论拟合，很好的展现了双臂集成微环声光调制器优异的调制效果。

图3 三种声学模式下，偏置波长对声光调制效率的影响（c）和最佳的调制光边带结果（d）

该研究成功开发出一种混合集成的片上微环声光调制器。通过合理的理论仿真探究，优化光学波导和IDT设计，实现了高达9 mV∙cm 的调制效率。研究人员还深入分析了偏置点对调制效率的影响，揭示了调制效率VπL的演变规律。计算得出了该调制器在0.84 GHz时的声光耦合系数和光子数转换效率，展示了其在微波到光波转换方面的潜力。该高效微环声光调制器的问世，为片上压电光机械相互作用器件的研究开辟了新途径，有望推动高性能微波光子处理器、光隔离器、激光雷达（LiDAR）、量子信息转换等先进集成芯片的发展。