氮化硅平台上实现宽带声光调制器：突破低损耗光子集成电路的调制瓶颈

《Nature Communications》：Broadband acousto-optic modulators on Silicon Nitride

为解决超低损耗氮化硅(SiN)光子平台缺乏宽带调制器的难题，研究人员开展了基于螺旋结构的非释放式声光调制器研究。该器件在704 MHz调制频率下实现Vπ=8.98 V，光学带宽超过90 nm，插入损耗仅1.13 dB，为芯片级光机械传感系统提供了关键调控元件。

　　

在集成光子学领域，氮化硅(SiN)平台因其超低光学损耗、宽光学透明窗口和CMOS兼容性等优势，已成为实现窄线宽激光器、高Q值谐振腔和传感系统的理想选择。然而，这一平台在追求极致低损耗的同时也带来了新的挑战——由于采用弱光场限制波导和厚氧化层包覆的结构设计，使得光学模式与外部调控场的相互作用变得异常困难。特别是在需要宽带相位调制的应用场景中，如激光频率稳定、量子光学调控等领域，现有的调制技术往往难以兼顾带宽与效率。

传统解决方案如谐振增强型声光调制器受限于谐振腔带宽，而异质集成铌酸锂等电光材料又需要大幅修改包层结构。更关键的是，在非释放的薄氮化硅波导中，既无法利用移动边界效应增强相互作用，又受限于低折射率差导致的弱光场限制，这使得实现高效的宽带调制器成为该领域长期未能突破的技术瓶颈。

发表于《Nature Communications》的这项研究提出了一种创新的解决方案——通过设计多通道螺旋结构的声光调制器架构，在保持氮化硅平台超低损耗特性的同时，实现了前所未有的宽带调制性能。研究人员巧妙利用长相互作用长度补偿弱耦合效应，在704 MHz的高频调制下获得了9V以下的半波电压，光学带宽超过90纳米，为芯片级光子系统的发展开辟了新途径。

研究团队主要采用了以下几个关键技术方法：首先设计了基于叉指换能器(IDT)的压电驱动系统，通过优化铝/氮化铝(Mo/AlN)层堆栈实现高效声波激发；其次开发了螺旋波导相位匹配设计算法，通过精确控制38个调制段的相对位置实现声光相互作用的相干叠加；此外利用外差探测技术精确表征调制性能，并通过与商用加速度计对比验证了其在光机械传感系统中的应用效果。

螺旋设计

研究团队采用的薄氮化硅平台包含嵌入二氧化硅包层中的2.4μm×96.5nm波导结构。被动波导在商业代工厂的200mm晶圆上制备后，键合至100mm晶圆并沉积钼/氮化铝压电层堆栈。通过选择叉指换能器作为声波激发源，其间距设计大于波导宽度以优化重叠效率。主导的声光耦合机制为光弹效应，针对主要应变张量分量S_yy进行优化。螺旋几何结构的设计突破了传统相干长度限制，通过精确计算每个调制段的位置{x_n}，实现声场相位与光学相位失配的补偿，使调制效率随调制段数量C呈乘性增长。

声光调制器

实验芯片包含调制段数量从6到38不等的多种螺旋结构。在468MHz基模作用下，5.02%的入射电功率转化为声波。测量结果显示调制边带幅度随RF驱动功率增加呈现典型的相位调制特征，一阶和二阶边带功率分别呈线性和平方关系增长。当螺旋长度超过13cm的相干长度时，仍能观察到调制指数的乘性增长，验证了相位匹配设计的有效性。

高阶声学模式

除基模外，换能器还能激发三个高阶声学模式。706MHz模式因S_yy应变分量与波导的理想重叠表现出最强耦合，在1W驱动功率下调制效率接近-10dB。理论计算表明所有高阶模式在数百MHz的3dB带宽内均满足准相位匹配条件，其中706MHz模式的调制指数缩放行为与理论预测高度吻合。

机电阻抗匹配优化

通过加厚总线条至500nm铝层，显著改善了阻抗匹配特性。双金属厚度换能器使声波转化效率提升19.1%，且声波作用长度扩展至1.6mm。光学测量显示基模调制指数增强2.375倍，与电学观测结果一致。704MHz模式在34dBm驱动功率下实现β=0.58π的相位调制深度，接近π/2的理论最优值。

调制器在光机械传感系统中的应用

研究人员将调制器应用于基于高Q环腔的光机械加速度计系统，实现了Pound-Drever-Hall(PDH)锁频方案。当加速度导致环腔光学共振频率偏移时，调制器产生的误差信号通过比例-积分-微分控制回路实现激光频率锁定。系统在1.8kHz基模处测得6766 ng/√Hz的噪声等效加速度，展示了该技术在集成惯性测量领域的应用潜力。

该研究通过创新的螺旋声光调制器架构，成功解决了薄氮化硅平台宽带调制的技术难题。器件在704MHz调制频率下实现8.98V的半波电压和超过90nm的光学带宽，其性能指标在非释放式氮化硅调制器中处于领先地位。这项技术的意义不仅在于为PDH锁频、微波振荡器和激光稳频等应用提供了片上解决方案，更重要的是通过π/2调制深度的实现，为完全集成的光学陀螺仪和惯性测量单元的发展奠定了坚实基础。未来通过优化换能器设计和降低插入损耗，有望进一步推动氮化硅光子集成电路在量子技术和精密传感领域的应用进程。