實現(xiàn)微波到光子轉換的高效寬帶聲光調制器

Ahmed E. Hassanien, Steffen Link, Yansong Yang, Edmond Chow, Lynford L. Goddard, Songbin Gong. Efficient and wideband acousto-optic modulation on thin-film lithium niobate for microwave-to-photonic conversion[J]. Photonics Research, 2021, 9(7): 07001182

  數(shù)據(jù)中心光收發(fā)器、微波光子信號處理、量子計算、光譜學和全息術等技術的高速發(fā)展對光波傳播的控制提出了更高的要求。實現(xiàn)這一目標的一種有效工具是可利用光-物質相互作用的聲光器件。

  從根本上來說，聲光器件是通過聲波擾動光學介質中的折射率來實現(xiàn)相互作用。在聲波和光波可以獨立發(fā)射和引導的介質中，光彈性效應使微擾成為可能。幾種實用的體波聲光器件已經(jīng)得到實現(xiàn)，包括光調制器、移頻器、開關、可調諧濾波器、隔離器、頻譜分析儀、掃描儀和相關器。

  砷化鎵(GaAs)和鈮酸鋰(LiNbO3，簡稱LN)等壓電薄膜是很有前途的聲光器件候選材料。這些薄膜與其周圍環(huán)境具有高折射率對比以限制光波，并且兼容產(chǎn)生聲波所使用的簡單叉指換能器。

  基于不同襯底的聲光器件在許多方面得到了廣泛應用，包括調制器、移頻器、可調諧濾波器以及相位敏感成像、三維全息術等。

  近年來，在絕緣體上集成的LN薄膜實現(xiàn)了前所未有的微波光子轉換，加速了微波光子學的發(fā)展。LN是一種合成晶體，以其強大的電光、光彈性和壓電效應等多種特性而聞名。這些性質有助于線性和非線性光學應用以及聲波的產(chǎn)生和探測。此外，LN具有負的單軸雙折射，具有高折射率(1550 nm處約2.13)和與許多電介質的高折射率對比度，允許光學模式的強限制和光子集成電路的小型化。

  在之前的研究工作中，光波導被導入諧振聲腔中，產(chǎn)生了高效的聲光調制器，但犧牲了帶寬(<0.1%)，限制了它們在大多數(shù)實際微波信號處理應用中的適用性。

  近日，伊利諾伊大學厄巴納香檳分校龔頌斌教授與Lynford L. Goddard教授團隊合作，利用懸浮LN薄膜的聲光效應，研制出高效寬帶微波到光子調制器。研究結果發(fā)表在Photonics Research 2021年第9卷第7期。

  該研究團隊使用行波聲波通過光波導，消除了以往方法中的諧振特性，得到了非常理想的寬帶調制器。由于微波傳感器的帶通光譜響應，這種方法提供對輸入微波信號的過濾，而無需任何附加電路，這使得它成為5G和物聯(lián)網(wǎng)應用的完美候選，其中光信號用于5G基站和數(shù)據(jù)中心之間的直接通信。其他應用，如頻率梳產(chǎn)生，也可以受益于寬帶和高效率的自適應光學調制器。

  此項研究展示了在LN 薄膜上使用非平衡馬赫-曾德耳干涉儀 (MZI) 的高效聲光調制器的設計、實現(xiàn)和測量。薄膜完全懸浮，能夠產(chǎn)生比表面聲波具有更高機電耦合的蘭姆聲波(平板波)，從而產(chǎn)生更有效的微波-聲波轉換。

聲光調制器的顯微圖像

  在LN/空氣界面處的速度失配邊界條件下，聲振型被限制在懸浮膜內(nèi)。另一方面，光學模式被LN/空氣界面的折射率反差限制在平面內(nèi)，并由LN懸浮膜內(nèi)空氣孔的正方形晶格構成的光子晶體波導橫向引導。

  將波約束在薄膜中可以形成聲模和光模之間的統(tǒng)一重疊，從而實現(xiàn)了有效的微波-光子轉換。聲光調制器的相移高達0.0166 rad/√mW，中心頻率1.9 GHz，帶寬140 MHz。

  此外，該團隊還報道了一種在聲腔內(nèi)導入光波導的窄帶聲光調制器，與最新的聲光調制器進行了比較，通過優(yōu)化聲光模式及其相互作用，實現(xiàn)了9倍以上的更為有效的調制。