作为自然界中最为普遍的两种物理现象，光和声音的存在与每个人的生活息息相关。如何用声音去“摇动”光，用光去“驱动”声音，已不再是遥不可及的科幻故事，这不仅给人类生活增添了光彩，也为科研生产带来了新的曙光和机遇。

近日，来自中山大学与暨南大学的联合研究团队，提出一种新型内嵌推挽式声光调制器，该器件主要由非悬浮薄膜铌酸锂-硫系玻璃异质集成混合波导、以及可产生反对称瑞利表面的声波（Surface acoustic wave, SAW）模式的叉指换能器构成。暨南大学信息科学技术学院副研究员万磊为该工作的主要参与者。

▲图 | 暨南大学信息科学技术学院副研究员万磊（来源：万磊）

（来源：Light: Science & Applications）

测试发现，器件的半波电压长度积 VπL 低至 0.03V·cm。该声光调制器不仅能对双向 SAW 能量进行有效利用，而且充分发挥了硫系软玻璃薄膜优异的光弹性优势。

（来源：Light: Science & Applications）

（来源：Light: Science & Applications）

另外，当把叉指换能器（Interdigital transducer, IDT）内嵌于迈克尔逊干涉仪的两直波导中间时，还可实现相反的声波形变，从而获得推挽式的工作模式。对比单臂声光调制效率，当采取双臂推挽结构时，可获得接近两倍的调制效果。

（来源：Light:Science&Applications）

鉴于此次器件给片上声光调制效率带来的提高，故在应用上主要有如下前景：作为一种高频的开关元件，在实现半导体连续激光控制和输出方面，声光调制具有重要作用，并可用于高灵敏光谱系统，在气体痕量分析、大气化学、量子信息等领域“大有可为”。

目前，全球市场上在售的声光调制器价格仍然偏贵，光波适用带宽有限，零阶和一阶光在有限空间上分的不够开，分子指纹波段区域 6-9μm 的声光调制器更是鲜有耳闻。

而片上集成化声光调制器的研制，能显著降低器件的驱动电压，满足器件小型化的需求，未来在替代体材料的声光调制器方面，无疑具有重要价值。

而从宏观角度来看，片上声光调制器涉及微波-光波间转换的物理问题，在实现微波信号处理方面具备一定的应用前景。未来如能突破几百兆赫兹的带宽，结合声光调制器在能效和功耗方面的优势，相信在 5G/6G 等高速大容量无线通信系统方面将展现独特的优势。

另外，从微观的角度来看，声光调制器关联着单个微波光子与单个光波。有研究报道，声波媒介的引入可以实现光波的非互易性传输，进而实现光量子计算，因此未来有望用于电驱动的片上隔离器、以及光子模拟计算系统等新型的光电子芯片。

从日常生活到实验室，“遍地都是”声光调制器

据介绍，随着光电子与微电子技术的不断发展，声光调控器件逐渐显现出特殊的地位。商用的声光调控器件主要包括声光调制器、滤波器、开关、移频器以及偏转器等，主要用于实现光波传输强度、方向和频率的有效控制。

从本质来讲，目前这些声光功能器件一般是基于布拉格光栅衍射效应,结合电声换能器与压电晶体材料，对入射光波信号相关参数进行多维度调控的物理器件。然而，受限于声光体材料的几何尺寸和物理特性，在光波工作范围、声波调制速率、声光转换效率和电功率能耗等方面，声光调控器件遇到了瓶颈。

因此，如何在小尺寸器件结构下提高声光相互作用强度，同时拓展声光调控器件的光波工作带宽与声波加载频率，实现特定光波长工作条件下，集成化微波-声-光信号的高速高效转换，显然已是未来多样化、高性能声光调控器件发展的必然趋势。

伴随高精度微纳米加工技术的不断进步，SAW 驱动的波导型声光器件为片上集成化的声光调控器件开发，提供了可行的解决方案。凭借声学/光学模式体积小、器件结构紧凑等天然优势，片上集成化声光器件有望在小尺寸范围内实现 SAW 与光波相互作用的增强。

事实上，考虑到 SAW 集成的波导型声光调控器件，离不开薄膜材料的压电效应和光弹效应，所以它需要集成 IDT 与光波导元件，构成微波-声波-光波三者相互作用的器件平台。因此，如何结合薄膜材料典型的物理特性、与优化的片上光学/声学波导器件设计来增大多物理场耦合与转换效率的研究，具有重要的意义。

目前，声光调控器件在调制效率方面还存在较大提高空间。有研究人员通过悬浮波导结构，增加金属反射栅，设计声/光子晶体等方法来提高声光相互作用强度，以期降低器件的驱动电压。但事实上，上述部分方法对工艺要求提出了巨大挑战，设计上也颇为繁琐。

为此，本次联合研究团队利用薄膜铌酸锂-硫系玻璃混合波导平台，通过精细工程化异质集成波导的几何结构、匹配机电转换，并借助反对称瑞利 SAW 的有效激发，显著提高了非悬浮结构下片上声光调制器的调制效率。

器件性能的证实，一方面展示了薄膜铌酸锂-硫系玻璃异质集成平台优异的声光响应特性；另一方面，也验证了简单灵活的器件制备工艺，为后续产业化应用创造了条件。

据介绍，目前，市面上采用体材料压电晶体构成的商用声光调制器，具备光开关、偏转和移频等功能，已被广泛应用于激光器产业、大气环境监测以及光谱分析等民用和军用领域。在科研学术界，声光调制器在各个实验室也比较常见。因此，此次成果的孵化前景十分明朗。

“撒网放饵”“捕小鱼”“抓大鱼”

该研究主要经历三个阶段，万磊分别用“撒网放饵”“捕小鱼”“抓大鱼”来概括。

第一阶段：课题调研与方案确定，也称“撒网放饵”。

首先，该团队查阅国内外有关片上声光调制器或转换器件研究的相关文献，对声光互作的机理、实验设计、性能测试等方面进行深入了解与总结。该阶段好比撒网捕鱼，只有清楚哪里有“鱼”，才好有针对性的“放饵”。

考虑到课题组暂时不具备直接加工薄膜铌酸锂的条件，但在片上低损耗硫系光波导制备方面已积累了不少经验；同时，结合薄膜铌酸锂的压电效应与硫系玻璃材料的光力学特性，他们制定了基于薄膜铌酸锂-硫系玻璃异质集成声光调控器件的技术方案。

课题开展前期，先后遇到了不能顺利激发 SAW、调制效果差、声光互作机理不明晰等一系列科学问题。幸运的是，通过课题组的不懈努力和虚心请教，初期的一些常见问题逐个得到解决，他们也慢慢找到了离目标比较近的研究方案，为器件的正式制备夯实了基础。

第二阶段：波导器件优化与性能验证，也称“捕小鱼”。

项目开展中期，该团队对声光调制器中涉及的光学/声学波导和 IDT 两个关键元件的基本传输特性进行了数值仿真。为确保优异的声光调制效率，他们从理论上分析了可能影响声光相互作用的因素，包括波导几何结构选取、IDT 的阻抗匹配、以及两者之间的距离问题等。根据仿真优化的结果，结合工艺实现的可行性，该团队先后制备了不同结构的器件原型。

之后便是搭建基本的测试系统，并开始对样品性能进行初步的表征，期间课题组也收获了一些“小鱼”。令人印象深刻的是，由于初期他们选择的测试方法问题，导致部分结果并不能作为有效的数据来使用，致使在评估器件调制性能时，多走了很多弯路。

第三阶段：器件迭代与性能提升，也称“抓大鱼”。

这一阶段，研究人员将声光相互作用理论与实验结果相结合，不断通过实验测试与数据处理，分析计算所研制片上声光调制器的半波电压、传输损耗、调制效率等性能参数。根据前期所能实现的性能指标，通过改进设计、迭代器件制备与测试，他们开始对异质集成器件的调制性能做出评价。

如此往复，一个偶然的机会，课题组获得了优异的多功能片上声光调控芯片，抓到了所谓的“大鱼”。正印证了那句老话“只要功夫深，铁杵磨成针”。

（来源：Light: Science & Applications）

5 月 20 日，相关论文以《基于非悬浮薄膜铌酸锂-硫系玻璃混合波导的高效声光调制》（Highly efficient acousto-optic Modulation using nonsuspended thin-film lithium niobate-chalcogenide hybrid waveguides）为题发表在 Light : Science and Applications（IF 20.257）上。暨南大学信息科学技术学院副研究员万磊、中山大学博士后杨志强、暨南大学硕士研究生周文丰为论文共同第一作者，万磊副研究员和中山大学李朝晖教授为论文共同通讯作者。

▲图 | 相关论文（来源：Light: Science & Applications）

有审稿人评价称，“虽然声光器件已经开发了 50 多年，但近些年使用薄膜材料研制的集成化、微型化片上声光器件显示出传统批量器件不可比拟的有趣性能。当前，大多数高性能片上集成声光器件普遍利用悬浮薄膜来减少声波在基底中的损耗。

然而，悬浮薄膜器件有一些固有的缺点，包括大功率处理能力、鲁棒性和复杂的制造工艺。面对上述问题，这项工作采用非悬浮的薄膜铌酸锂，结合硫系光波导，实现了低驱动电压的片上声光调制器。”

另外，还有审稿人评价说：“结合薄膜铌酸锂与硫系玻璃实现的非悬浮片上声光调制器，展现了与悬浮声学腔配置下可比拟的调制效率，相信研究结果会让从事铌酸锂光子学与声光调制领域的研究人员产生很大的兴趣。同时，该工作的研究成果对片上非互易声光器件和模拟光学计算系统具有重要意义”。

（来源：Light: Science & Applications）

“塞翁失马,焉知非福”

事实上在研究初期，对于该团队而言，片上声光学是一个崭新的课题，为此他们遇到了很多问题。比如，由于是起步阶段，课题组对声光调制相关方面了解甚微，需要学习的知识非常多。好在整个团队齐心协力，从设计到制备几乎是一个星期更新迭代一次，经常通宵实验整理数据。

虽然幸苦，但是每次得到出乎意料的实验结果时，都很令人开心和振奋。记得 2021 年 10 月的下午，课题组对芯片进行复测，却意外地破坏了重要器件，情急之下选择了之前表现并不优异的器件测量，但却得到了令人惊喜的结果，这让他们体会到了“塞翁失马，焉知非福”的感觉。万磊感慨称：“所以无论科研还是生活都应该保持希望和热情！”

另据悉，对于片上声光调制器而言，高效、大带宽的特性一直是该团队追求的目标。高效声光调制主要涉及两个物理过程，一个是微波到声波的转换，一个是声波到光波的转换。该项工作中通过设计匹配反对称 IDT，微波到声波的转换效率已达 96%。

下一步，课题组将重点致力于提高声波到光波的转换效率，进而实现微波到光波的高效换能。另外，由于市面上声光调控器件对大调制带宽、高速率性能的迫切需求，该团队也将继续改进 IDT 的设计，朝着高速、大带宽的目标继续前进，期望能在高性能片上声光学方面有所突破。

参考资料：

1.Wan, L., Yang, Z., Zhou, W. et al. Highly efficient acousto-optic modulation using nonsuspended thin-film lithium niobate-chalcogenide hybrid waveguides. Light Sci Appl 11, 145 (2022). https://doi.org/10.1038/s41377-022-00840-6