实现微波到光子转换的高效宽带声光调制器

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

  数据中心光收发器、微波光子信号处理、量子计算、光谱学和全息术等技术的高速发展对光波传播的控制提出了更高的要求。实现这一目标的一种有效工具是可利用光-物质相互作用的声光器件。

  从根本上来说，声光器件是通过声波扰动光学介质中的折射率来实现相互作用。在声波和光波可以独立发射和引导的介质中，光弹性效应使微扰成为可能。几种实用的体波声光器件已经得到实现，包括光调制器、移频器、开关、可调谐滤波器、隔离器、频谱分析仪、扫描仪和相关器。

  砷化镓(GaAs)和铌酸锂(LiNbO3，简称LN)等压电薄膜是很有前途的声光器件候选材料。这些薄膜与其周围环境具有高折射率对比以限制光波，并且兼容产生声波所使用的简单叉指换能器。

  基于不同衬底的声光器件在许多方面得到了广泛应用，包括调制器、移频器、可调谐滤波器以及相位敏感成像、三维全息术等。

  近年来，在绝缘体上集成的LN薄膜实现了前所未有的微波光子转换，加速了微波光子学的发展。LN是一种合成晶体，以其强大的电光、光弹性和压电效应等多种特性而闻名。这些性质有助于线性和非线性光学应用以及声波的产生和探测。此外，LN具有负的单轴双折射，具有高折射率(1550 nm处约2.13)和与许多电介质的高折射率对比度，允许光学模式的强限制和光子集成电路的小型化。

  在之前的研究工作中，光波导被导入谐振声腔中，产生了高效的声光调制器，但牺牲了带宽(<0.1%)，限制了它们在大多数实际微波信号处理应用中的适用性。

  近日，伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校龚颂斌教授与Lynford L. Goddard教授团队合作，利用悬浮LN薄膜的声光效应，研制出高效宽带微波到光子调制器。研究结果发表在Photonics Research 2021年第9卷第7期。

  该研究团队使用行波声波通过光波导，消除了以往方法中的谐振特性，得到了非常理想的宽带调制器。由于微波传感器的带通光谱响应，这种方法提供对输入微波信号的过滤，而无需任何附加电路，这使得它成为5G和物联网应用的完美候选，其中光信号用于5G基站和数据中心之间的直接通信。其他应用，如频率梳产生，也可以受益于宽带和高效率的自适应光学调制器。

  此项研究展示了在LN 薄膜上使用非平衡马赫-曾德耳干涉仪 (MZI) 的高效声光调制器的设计、实现和测量。薄膜完全悬浮，能够产生比表面声波具有更高机电耦合的兰姆声波(平板波)，从而产生更有效的微波-声波转换。

声光调制器的显微图像

  在LN/空气界面处的速度失配边界条件下，声振型被限制在悬浮膜内。另一方面，光学模式被LN/空气界面的折射率反差限制在平面内，并由LN悬浮膜内空气孔的正方形晶格构成的光子晶体波导横向引导。

  将波约束在薄膜中可以形成声模和光模之间的统一重叠，从而实现了有效的微波-光子转换。声光调制器的相移高达0.0166 rad/√mW，中心频率1.9 GHz，带宽140 MHz。

  此外，该团队还报道了一种在声腔内导入光波导的窄带声光调制器，与最新的声光调制器进行了比较，通过优化声光模式及其相互作用，实现了9倍以上的更为有效的调制。