薄膜鈮酸鋰波導(dǎo)器件的聲光調(diào)制

  ICCSZ訊 聲光效應(yīng)描述的是聲波和光波的相互作用，它被廣泛應(yīng)用于制作移頻器、可調(diào)濾波器和聲光偏轉(zhuǎn)器件，在激光調(diào)Q/鎖模、信號(hào)處理和光束調(diào)節(jié)方面也有很多應(yīng)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?yàn)槠涓邏弘娤禂?shù)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(jìn)的聲光調(diào)制器相比，鈮酸鋰具備更高的機(jī)電耦合系數(shù)，這會(huì)大大簡(jiǎn)化表面聲波器件的設(shè)計(jì)，并且用更小的器件尺寸就可以匹配射頻(RF)驅(qū)動(dòng)源。另外，鈮酸鋰突出的聲光效應(yīng)可以增強(qiáng)光子-聲子相互作用。這些性質(zhì)使得鈮酸鋰在實(shí)現(xiàn)慣性傳感器、全息存儲(chǔ)/成像和光束偏轉(zhuǎn)方面成為很有潛力的材料之一。

  然而，由于鈦擴(kuò)散和質(zhì)子交換方法制備的波導(dǎo)對(duì)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(dǎo)，其導(dǎo)模尺寸在幾十平方微米、波導(dǎo)半徑在厘米量級(jí)，這導(dǎo)致了器件尺寸相對(duì)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(jié)構(gòu)成為了很有前途的集成光學(xué)平臺(tái)。由于近年來(lái)在制備工藝上的不懈努力，已有關(guān)于低損耗波導(dǎo)、高品質(zhì)因子諧振腔和高性能小型化的光子器件的報(bào)道。研究鈮酸鋰薄膜的聲光性質(zhì)和制作高效率聲光調(diào)制器對(duì)于發(fā)展下一代LNOI聲光器件/應(yīng)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(lái)自于卡耐基梅隆大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院的蔡璐彤博士和Gianluca Piazza教授開展了在LNOI上制備聲光調(diào)制器件的概念驗(yàn)證工作。

  LNOI上的聲光調(diào)制器由IDT(用來(lái)產(chǎn)生表面聲波)、形成聲子諧振腔的兩個(gè)反射器和光子波導(dǎo)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?yàn)殡m然更厚的氧化物會(huì)降低波導(dǎo)損耗，但是也會(huì)對(duì)聲波器件性能產(chǎn)生負(fù)面影響，而1.5 μm的厚度可以很好地平衡波導(dǎo)損耗和聲波的機(jī)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(xué)波導(dǎo)放在最大應(yīng)變/應(yīng)力的位置，通過材料的光彈性質(zhì)得到強(qiáng)聲光調(diào)制，其中光學(xué)波導(dǎo)的尺寸僅是聲波波長(zhǎng)的很小一部分。

  表面聲波和波導(dǎo)模式傳播方向的選擇是使折射率在波導(dǎo)位置產(chǎn)生最大改變，同時(shí)在沿波導(dǎo)方向保持相同的折射率變化。兩個(gè)光柵被用來(lái)將光耦合進(jìn)/出芯片，這樣做也便于未來(lái)在芯片上集成激光器和探測(cè)器。通過測(cè)量馬赫-曾德爾干涉儀中不同階的調(diào)制信號(hào)，提取出了薄膜鈮酸鋰的光彈系數(shù)，測(cè)量到的系數(shù)表明LNOI保持了塊狀鈮酸鋰優(yōu)良的聲光性質(zhì)。探究材料性質(zhì)對(duì)于今后設(shè)計(jì)聲光和光機(jī)械系統(tǒng)具有重要的指導(dǎo)意義。利用優(yōu)秀的聲光性質(zhì)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(zhì)因子(Q>300,000)低損耗(損耗小于0.7 dB/cm)的光學(xué)諧振腔中實(shí)現(xiàn)的高效率聲光相互作用，它的調(diào)制強(qiáng)度和馬赫-曾德爾干涉儀聲光調(diào)制器相比提高了10 dB增益。

  與應(yīng)用于寬帶通信網(wǎng)絡(luò)的LNOI寬帶電光調(diào)制器不同，此兆赫茲聲光調(diào)制器有許多其他極具影響力的應(yīng)用，包括慣性傳感器(傾向于低頻率)、全息存儲(chǔ)/成像和光束偏轉(zhuǎn)(應(yīng)用于激光雷達(dá))。另外，在高品質(zhì)因子諧振腔中的光信號(hào)操控對(duì)于芯片上受激布里淵散射和光頻梳具有巨大潛在應(yīng)用價(jià)值。 Gianluca Piazza教授相信，該技術(shù)對(duì)于發(fā)展新型小型化集成器件很有吸引力，它將會(huì)解決現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)在無(wú)線和光學(xué)通信、經(jīng)典計(jì)算、人工智能和量子信息科學(xué)的諸多問題和挑戰(zhàn)。

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

聲光調(diào)制器的示意圖

叉指式換能器、聲反射器和光子波導(dǎo)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