薄膜鈮酸鋰波導器件的聲光調制

  ICCSZ訊 聲光效應描述的是聲波和光波的相互作用，它被廣泛應用于制作移頻器、可調濾波器和聲光偏轉器件，在激光調Q/鎖模、信號處理和光束調節(jié)方面也有很多應用。在所有聲光材料中，鈮酸鋰是最吸引人的材料之一，這是因為其高壓電系數使得通過叉指式換能器(IDT)有效地激發(fā)表面聲波成為可能。和目前在其它壓電材料諸如砷化鎵上制備的先進的聲光調制器相比，鈮酸鋰具備更高的機電耦合系數，這會大大簡化表面聲波器件的設計，并且用更小的器件尺寸就可以匹配射頻(RF)驅動源。另外，鈮酸鋰突出的聲光效應可以增強光子-聲子相互作用。這些性質使得鈮酸鋰在實現(xiàn)慣性傳感器、全息存儲/成像和光束偏轉方面成為很有潛力的材料之一。

  然而，由于鈦擴散和質子交換方法制備的波導對光的限制很弱，在傳統(tǒng)塊狀鈮酸鋰上制作的聲光器件的聲光相互作用受到了很大限制。例如波導，其導模尺寸在幾十平方微米、波導半徑在厘米量級，這導致了器件尺寸相對較大從而制約了高集成度。

  在過去二十年，單晶鈮酸鋰薄膜(LNOI，鍵合在低折射率襯底的薄膜鈮酸鋰)由于其高折射率差的層狀結構成為了很有前途的集成光學平臺。由于近年來在制備工藝上的不懈努力，已有關于低損耗波導、高品質因子諧振腔和高性能小型化的光子器件的報道。研究鈮酸鋰薄膜的聲光性質和制作高效率聲光調制器對于發(fā)展下一代LNOI聲光器件/應用是十分必要的。

  為了證明這種在薄膜鈮酸鋰上嘗試的可行性，來自于卡耐基梅隆大學電子與計算機工程學院的蔡璐彤博士和Gianluca Piazza教授開展了在LNOI上制備聲光調制器件的概念驗證工作。

  LNOI上的聲光調制器由IDT(用來產生表面聲波)、形成聲子諧振腔的兩個反射器和光子波導器件組成。所有的器件都在厚度為500 nm的鈮酸鋰薄膜上單片集成。鈮酸鋰下方的氧化物厚度為1.5 μm，這是因為雖然更厚的氧化物會降低波導損耗，但是也會對聲波器件性能產生負面影響，而1.5 μm的厚度可以很好地平衡波導損耗和聲波的機電耦合性能。聲光相互作用由于表面聲波在聲子諧振腔中形成駐波而得到提高。將光學波導放在最大應變/應力的位置，通過材料的光彈性質得到強聲光調制，其中光學波導的尺寸僅是聲波波長的很小一部分。

  表面聲波和波導模式傳播方向的選擇是使折射率在波導位置產生最大改變，同時在沿波導方向保持相同的折射率變化。兩個光柵被用來將光耦合進/出芯片，這樣做也便于未來在芯片上集成激光器和探測器。通過測量馬赫-曾德爾干涉儀中不同階的調制信號，提取出了薄膜鈮酸鋰的光彈系數，測量到的系數表明LNOI保持了塊狀鈮酸鋰優(yōu)良的聲光性質。探究材料性質對于今后設計聲光和光機械系統(tǒng)具有重要的指導意義。利用優(yōu)秀的聲光性質可以制造出很多其他聲光器件，這些器件有望勝過基于塊狀鈮酸鋰的聲光器件。研究人員還展示了可以在高品質因子(Q>300,000)低損耗(損耗小于0.7 dB/cm)的光學諧振腔中實現(xiàn)的高效率聲光相互作用，它的調制強度和馬赫-曾德爾干涉儀聲光調制器相比提高了10 dB增益。

  與應用于寬帶通信網絡的LNOI寬帶電光調制器不同，此兆赫茲聲光調制器有許多其他極具影響力的應用，包括慣性傳感器(傾向于低頻率)、全息存儲/成像和光束偏轉(應用于激光雷達)。另外，在高品質因子諧振腔中的光信號操控對于芯片上受激布里淵散射和光頻梳具有巨大潛在應用價值。 Gianluca Piazza教授相信，該技術對于發(fā)展新型小型化集成器件很有吸引力，它將會解決現(xiàn)在已經出現(xiàn)在無線和光學通信、經典計算、人工智能和量子信息科學的諸多問題和挑戰(zhàn)。

  未來工作將致力于將垂直腔面發(fā)射激光器和光探測器集成到聲光調制器上，并將器件工作頻率范圍延伸到高頻率寬帶調制來實現(xiàn)光束偏轉。

聲光調制器的示意圖

叉指式換能器、聲反射器和光子波導器件單片集成在薄膜鈮酸鋰上

  論文鏈接：Lutong Cai, Ashraf Mahmoud, Msi Khan, Mohamed Mahmoud, Tamal Mukherjee, James Bain, Gianluca Piazza. Acousto-optical modulation of thin film lithium niobate waveguide devices. Photonics Research, 2019, 7(9): 1003-1013