本發(fā)明涉及集成光學(xué)，特別是涉及一種亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)增強(qiáng)的聲光調(diào)制器。

背景技術(shù)：

1、高性能聲光調(diào)制器在微波到光波的轉(zhuǎn)換中占有重要的地位，其通過聲子—光子相互作用改變介質(zhì)的折射率來對(duì)光場(chǎng)進(jìn)調(diào)控。隨著信息通信量的爆發(fā)式增長(zhǎng)，對(duì)聲光調(diào)控器件在光波使用頻段、調(diào)制速率、聲光轉(zhuǎn)換效率以及電功率能耗方面提出了更高的要求。然而傳統(tǒng)的聲光調(diào)控器件由于聲光體材料的尺寸和物理特性的影響，其轉(zhuǎn)換效率不盡人意。集成聲光子晶體腔為量子信息處理中高效微波到光波轉(zhuǎn)換提供了非常重要的結(jié)構(gòu)原型。與光子集成電路類似，聲子集成電路提供了一種局域的聲子、光子相互作用的途徑。片上聲子光子相互作用的增強(qiáng)進(jìn)一步促進(jìn)了微波到光波的轉(zhuǎn)換和量子信息處理的發(fā)展。聲光子晶體作為一個(gè)代表性的平臺(tái)，在研究光子、聲子共振方面發(fā)揮著重要作用?；陔娭律炜s效應(yīng)，懸浮的薄膜硅最早被用來制成聲光子晶體腔。由于其相對(duì)較大的折射率，硅波導(dǎo)在聲光子晶體腔中能夠很好的束縛光子，從而得到一個(gè)較高的光機(jī)耦合速率。但缺乏壓電效應(yīng)阻礙了懸浮薄膜硅平臺(tái)在微波到光波轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的發(fā)展。其經(jīng)常采用的方式是在晶體腔下設(shè)計(jì)一個(gè)聲懸浮腔，通過光力學(xué)振動(dòng)的方式引起腔內(nèi)產(chǎn)生聲學(xué)諧振，但是這種方式要求傳輸?shù)墓鈱W(xué)q值比較嚴(yán)苛，通常需要達(dá)到10^7以上，并且對(duì)現(xiàn)實(shí)工藝要求嚴(yán)格，制造極為不易。如何在同一材料平臺(tái)中有效實(shí)現(xiàn)聲波耦合和聲學(xué)諧振模式激發(fā)引起了廣泛的研究。

2、近年來，鈮酸鋰材料因?yàn)槠浣艹龅碾姽?、非線性光學(xué)、聲光、壓電、光折變、熱釋電和光導(dǎo)特性引起了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。結(jié)合鈮酸鋰的壓電特性設(shè)計(jì)叉指換能器激發(fā)聲表面波，通過表面擾動(dòng)的方式側(cè)面耦合進(jìn)聲光子晶體腔已經(jīng)有所報(bào)道，但是這種方式要求耦合條件苛刻，聲波在表面?zhèn)鬏敃r(shí)損耗較高。另一種方式就是將聲學(xué)模式束縛到亞波長(zhǎng)尺度下的機(jī)械波導(dǎo)耦合到聲光子晶體腔內(nèi)。該方式極大的提高了聲波的耦合效率，但是器件需要整體懸浮，以獲得較好的聲學(xué)束縛態(tài)，工作模式復(fù)雜，微波到光波的轉(zhuǎn)換效率有限，器件制備工藝苛刻。目前仍未有研究者利用非懸浮平臺(tái)的亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)耦合聲光子晶體腔。聲光子晶體腔的差異性決定不同的力學(xué)耦合條件，這需要經(jīng)過嚴(yán)格的叉指換能器與聲學(xué)波導(dǎo)的設(shè)計(jì)，以匹配聲光子晶體腔的聲子能帶。因此，設(shè)計(jì)出一種對(duì)力學(xué)耦合條件不敏感，工作條件寬泛的聲光子晶體腔具有重大的實(shí)用意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)增強(qiáng)的聲光調(diào)制器，充分發(fā)揮了鈮酸鋰優(yōu)異的壓電效應(yīng)和彈光效應(yīng)，結(jié)合藍(lán)寶石基底對(duì)類聲表面波束縛態(tài)的貢獻(xiàn)，利用局域的聲學(xué)諧振和光學(xué)諧振提升聲光相互作用強(qiáng)度，提高了微波到光波的轉(zhuǎn)換效率。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

3、采用藍(lán)寶石——二氧化硅基片，所述基片包括藍(lán)寶石襯底以及設(shè)置在藍(lán)寶石襯底上的二氧化硅層，在基片上設(shè)置鈮酸鋰薄膜，所述鈮酸鋰薄膜包括刻蝕的換能區(qū)、錐形過渡區(qū)、亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)、聲光子晶體腔以及側(cè)耦合光子晶體，所述換能區(qū)上設(shè)置叉指換能器，所述亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)與換能區(qū)通過刻蝕的錐形鈮酸鋰連接，所述聲光子晶體腔與非懸浮的亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)連接，與懸浮側(cè)耦合光子晶體平行。

4、進(jìn)一步地，所述叉指換能器、錐形過渡區(qū)與亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)相對(duì)于基片來說為非懸浮狀態(tài)，所述聲光子晶體腔與側(cè)耦合光子晶體相對(duì)于基片來說為懸浮狀態(tài)。

5、進(jìn)一步地，所述亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)導(dǎo)波的是基礎(chǔ)的類聲表面波模式，波導(dǎo)材料與藍(lán)寶石基底聲速對(duì)比度大，類聲表面波的模式體積更小，且類聲表面波是主要束縛在鈮酸鋰波導(dǎo)內(nèi)的。

6、進(jìn)一步地，所述亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)的尺寸小于在其中傳播的聲波波長(zhǎng)，聲光子晶體腔的寬度與亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)寬度保持一致，為800nm～2500nm。整體器件借助此處彎曲的亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)匹配壓電效應(yīng)與彈光效應(yīng)在各自方向上的優(yōu)化結(jié)果，彎曲角度為0°～90°，彎曲半徑一般大于20個(gè)聲波波長(zhǎng)。

7、進(jìn)一步地，所述聲光子晶體腔和側(cè)耦合光子晶體的厚度與亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)保持一致，較好的光力學(xué)特性呈現(xiàn)在聲光子晶體的晶格常數(shù)為300nm～600nm，長(zhǎng)軸為400nm～1000nm，短軸為100nm～500nm，所述聲光子晶體腔由一根與亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)等高等寬的懸浮直波導(dǎo)刻蝕規(guī)律變化的空氣孔洞形成；空氣孔洞分為中間的缺陷區(qū)域和兩側(cè)的鏡面區(qū)域；所述的缺陷區(qū)域用于限制諧振，鏡面區(qū)域用于反射增強(qiáng)諧振；缺陷區(qū)域單元數(shù)量為15～60，鏡面區(qū)域單元數(shù)量為15～60，較好的光波耦合效果呈現(xiàn)在側(cè)耦合光子晶體的晶格常數(shù)為150nm～400nm，長(zhǎng)軸為200nm～600nm，短軸為80nm～400nm。

8、進(jìn)一步地，所述鈮酸鋰薄膜的切向?qū)τ诓嬷笓Q能器為x-y，換能區(qū)寬度為2μm～20μm，所述叉指換能器的指寬為0.2μm～5μm，叉指對(duì)數(shù)為20～100對(duì)，所述叉指換能器可實(shí)現(xiàn)300mhz～8ghz類瑞麗波(rayleigh-like?modes)類勒夫波(love-like?modes)的激發(fā)。

9、進(jìn)一步地，所述鈮酸鋰薄膜的厚度為200nm～500nm，藍(lán)寶石二氧化硅基片中二氧化硅層厚度為500nm～2000nm，在某一微波工作頻率下，所述亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)和聲光子晶體腔的鏡面區(qū)域始終存在可以表征穩(wěn)定向前傳輸?shù)念惱辗虿ê皖惣羟胁ǖ哪Ｊ侥軒Ь€。

10、根據(jù)本發(fā)明提供的具體實(shí)施例，本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：

11、本發(fā)明提供的亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)增強(qiáng)的聲光調(diào)制器，設(shè)置在藍(lán)寶石——二氧化硅基片上，由叉指換能器、錐形過渡區(qū)、亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)和聲光子晶體腔組成；

12、第一，采用藍(lán)寶石作為基底材料，x-y鈮酸鋰薄膜作為壓電材料，利用藍(lán)寶石與鈮酸鋰、二氧化硅聲速對(duì)比度大的特點(diǎn)，在獲得生效的聲表面波模式體積的同時(shí)，叉指換能器可激發(fā)類勒夫波，也可激發(fā)純凈的類瑞麗波作為工作模式，兩者都擁有較高的微波到聲波的轉(zhuǎn)換效率，基于此基片設(shè)計(jì)的聲波導(dǎo)對(duì)聲波的束縛能力更強(qiáng)；

13、第二，采用彎曲的非懸浮亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)將鈮酸鋰切向調(diào)整至x-(θ)y，在其末端連接懸浮的聲光子晶體腔，充分利用鈮酸鋰在該切向下優(yōu)秀的彈光效應(yīng)；

14、第三，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的聲光子晶體腔對(duì)聲波的耦合條件不敏感，工作條件寬泛，可由多種類型的idt驅(qū)動(dòng)諧振，包括但不限于聚焦型idt，單向idt，單向聚焦型idt以及本發(fā)明介紹的一般型idt。

15、第四，利用基礎(chǔ)的類聲表面波激發(fā)聲光子晶體腔的聲學(xué)諧振，該方案相較于利用懸浮的高階聲波模式擁有更高的轉(zhuǎn)換效率和工作的穩(wěn)定性，同時(shí)采用設(shè)計(jì)的側(cè)耦合光子晶體激發(fā)聲光子晶體腔的光學(xué)諧振，光子和聲子同時(shí)諧振的工作模式在聲光相互作用強(qiáng)度上大幅優(yōu)于行波相互作用的形式，另外該方案的提出將會(huì)為研制超高效的聲光調(diào)制器提供新思路。

16、上述聲光調(diào)制器調(diào)制效率高、聲光相互作用強(qiáng)、具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，可采用拓?fù)渎暪庾泳w進(jìn)一步限制模式體積，加強(qiáng)局域效果同時(shí)可以獲得很好的抗缺陷能力，基于拓?fù)渌枷朐O(shè)計(jì)的聲光子晶體調(diào)制器有望在轉(zhuǎn)換效率和聲光相互作用強(qiáng)度上有新的突破。

技術(shù)特征：

1.一種亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)增強(qiáng)的聲光調(diào)制器，其特征在于，包括基片，所述基片包括藍(lán)寶石襯底(1)以及設(shè)置在藍(lán)寶石襯底(1)上的二氧化硅層(2)，在基片上設(shè)置鈮酸鋰薄膜(3)；所述鈮酸鋰薄膜(3)包括刻蝕的換能區(qū)、錐形過渡區(qū)(7)、亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)(8)、聲光子晶體腔(9)以及的側(cè)耦合光子晶體(10)；所述換能區(qū)上設(shè)置叉指換能器(6)，所述亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)(8)與換能區(qū)通過刻蝕的錐形過渡區(qū)(7)連接，所述聲光子晶體腔(8)與非懸浮的亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)(8)連接，與懸浮的側(cè)耦合光子晶體(10)平行。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)增強(qiáng)的聲光調(diào)制器，其特征在于，所述叉指換能器(6)、錐形過渡區(qū)(7)與亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)(8)相對(duì)于基片來說為非懸浮狀態(tài)；所述聲光子晶體腔(9)與側(cè)耦合光子晶體(10)相對(duì)于基片來說為懸浮狀態(tài)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)增強(qiáng)的聲光調(diào)制器，其特征在于，所述亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)(8)中的聲學(xué)模式為束縛態(tài)類聲表面波模式。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)增強(qiáng)的聲光調(diào)制器，其特征在于，所述亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)(8)和聲光子晶體腔(9)的寬度為300nm～3000nm；亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)(8)的角度為0°～90°，彎曲半徑大于20個(gè)聲波波長(zhǎng)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)增強(qiáng)的聲光調(diào)制器，其特征在于，所述聲光子晶體腔(9)的晶格常數(shù)為200nm～600nm，長(zhǎng)軸400nm～1000nm，短軸為100nm～500nm，所述聲光子晶體腔(9)由一根與亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)(8)等高等寬的懸浮直波導(dǎo)刻蝕規(guī)律變化的空氣孔洞形成；空氣孔洞分為中間的缺陷區(qū)域(4)和兩側(cè)的鏡面區(qū)域(5)；所述的缺陷區(qū)域(4)用于限制諧振，鏡面區(qū)域(5)用于反射增強(qiáng)諧振；缺陷區(qū)域(4)單元數(shù)量為15～60，鏡面區(qū)域(5)單元數(shù)量為15～60；側(cè)耦合光子晶體(10)中存在光子晶體結(jié)構(gòu)，其中光子晶體的晶格常數(shù)為150nm～400nm，長(zhǎng)軸為200nm～600nm，短軸為80nm～400nm。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)增強(qiáng)的聲光調(diào)制器，其特征在于，所述鈮酸鋰薄膜(3)的切向?qū)τ诓嬷笓Q能器(6)為x-y，換能區(qū)寬度為2μm～20μm，所述叉指換能器(6)的指寬為0.2μm～5μm，叉指對(duì)數(shù)為20～300對(duì)，所述叉指換能器(6)用于實(shí)現(xiàn)300mhz～8ghz類瑞麗波(rayleigh-like?modes)和類勒夫波(love-like?modes)的激發(fā)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的一種亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)增強(qiáng)的聲光調(diào)制器，其特征在于，所述鈮酸鋰薄膜(3)的厚度為200nm～600nm，基片中二氧化硅層(2)厚度為500nm～2000nm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)增強(qiáng)的聲光調(diào)制器，涉及集成光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域；包括基片，所述基片包括藍(lán)寶石襯底以及設(shè)置在藍(lán)寶石襯底上的二氧化硅層，在基片上設(shè)置鈮酸鋰薄膜，所述鈮酸鋰薄膜包括刻蝕的換能區(qū)、亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)、聲光子晶體腔以及側(cè)耦合光子晶體；換能區(qū)上設(shè)置叉指換能器，亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)與換能區(qū)通過刻蝕的錐形過渡區(qū)耦合，所述聲光子晶體腔與亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)直接耦合，與光學(xué)波導(dǎo)側(cè)耦合。本發(fā)明使用非懸浮的亞波長(zhǎng)聲學(xué)波導(dǎo)驅(qū)動(dòng)懸浮的聲光子晶體腔，可同時(shí)激發(fā)強(qiáng)束縛態(tài)的類勒夫聲波模式和類瑞麗聲波模式，顯著提高了聲光調(diào)制器的調(diào)制效率和轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，該器件制備工藝簡(jiǎn)單，在信號(hào)處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：萬磊,黃宏溢,劉會(huì)龍,黃繼瑩
受保護(hù)的技術(shù)使用者：寧夏大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/26