CMOS集成声光调制器实现可见光GHz频段高效相位调制

《Nature Communications》：Gigahertz-frequency acousto-optic phase modulation of visible light in a CMOS-fabricated photonic circuit

本刊推荐：为解决可见光波段集成相位调制器在高功率处理能力和可扩展性方面的挑战，研究人员开展了基于CMOS工艺的声光相位调制器研究。通过将压电换能器与光子波导集成在波长尺度结构中，实现了730 nm波长下超过500 mW的功率处理能力，并在2.31 GHz频率下获得Vπ=1.32 V的创纪录低调制电压。该技术为量子控制、激光雷达等可见光高功率应用提供了可扩展的集成解决方案。

　　

在当今光子技术飞速发展的时代，可见光波段的集成光学相位调制器已成为量子控制、通信和激光测距等领域的核心组件。然而，实现既能处理高光学功率又具备可扩展性的集成平台仍面临巨大挑战。传统体声光技术虽然功能强大，但通常功耗高、频率低，而现有的集成调制器大多工作在电信波段，或依赖于与CMOS工艺不兼容的材料，限制了其在需要可见光操作和高功率处理的应用中的推广。

以量子计算为例，囚禁离子和中性原子量子计算机需要每个量子比特都有独立的频率控制通道，且门操作通常需要数十毫瓦的激光功率照射到量子比特位置。这意味着集成光子控制芯片需要处理瓦级功率，而现有技术难以满足这一需求。氮化硅(SiN_x)因其在可见光波段的高功率处理能力和CMOS兼容性，成为解决这一问题的理想平台。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，研究人员成功开发了一种在标准CMOS工厂200毫米晶圆上制造的可见光GHz频率声光相位调制器。该器件创新性地将压电换能器与光子波导集成在单一波长尺度结构内，同时约束传播光学模式和电可激发的机械呼吸模共振。

器件设计的核心是通过优化几何结构来增强光机械相互作用。如图1所示，调制器包含一个位于压电执行器上方的光子波导，SiN_x核心被SiO₂包层包裹形成波导结构。通过蚀刻沟道和释放层将结构与晶圆衬底物理隔离，抑制机械能量逃逸的主要机制，从而产生尖锐的机械共振。

关键技术方法包括：采用COMSOL Multiphysics有限元模拟软件进行光学模式和机械模式仿真；在标准CMOS工厂完成200毫米晶圆级制造工艺；通过异质外差干涉测量系统表征相位调制性能；利用贝塞尔函数分析从边带功率比提取调制深度。

器件平台和工作原理

研究人员通过将呼吸模机械共振和传播光学模式限制在同一波长尺度结构中，实现了共振增强的光机械耦合。这种耦合源于光弹效应（描述应变引起的材料折射率变化）和移动边界效应（描述核心-包层界面机械位移引起的波导横截面变化）。压电执行器在机械共振频率Ω/2π处施加正弦微波信号，产生形式为E(t)=E₀exp{i[-ωt+αsin(Ωt)]}的相位调制。

实验结果

研究人员通过图2所示的实验装置对制备的器件进行表征。在2.31 GHz共振频率下，2毫米长器件实现了高达4.85 rad的调制深度，仅需80 mW微波功率。这对应于V_π=1.32 V和V_π·L=0.26 V cm的共振调制品质因数，创下了集成声光调制器的最低V_π纪录。

图3a显示了在12 dBm恒定微波驱动功率下，调制深度和微波反射随频率的变化关系。2.31 GHz处的强烈机械共振产生2.1 rad的调制深度，超过了一阶边带转换效率达到理论最大值的点。通过从一阶和二阶边带的光功率提取的调制深度与理论预测高度吻合。

其他机械频率和光学波长下的操作

研究还证明了通过调节波导结构宽度，可以精确控制机械共振频率，使其适用于1-13 GHz范围内的各种量子比特物种。仿真表明该调制器可在整个可见光波长范围到近红外区域高效工作，实验在12纳米范围内验证了宽带光学操作的潜力。

讨论与展望

这项研究成功展示了在晶圆级CMOS工艺中制造的可见光GHz频率声光调制器。该平台与同一压电光机械平台中已演示的器件（如马赫-曾德尔调制器和可调环形谐振器）相结合，为原子和离子量子比特的光子控制芯片奠定了基础。

虽然SiN_x的透明窗口阻碍了深入紫外线的操作，但未来工作可以利用氧化铝平台将操作扩展到这一区域。该器件还适用于其他需要高光学功率的可见光应用，如远程目标测距的激光雷达系统或带宽有限的水下通信系统。

研究结论表明，通过实现体器件通常达到的高光学功率处理能力，同时保持与最先进集成技术竞争的调制效率，这项工作有望为冷却、状态准备、门操作和读出等应用提供大规模、通道化的可见光和GHz频率频率控制。该平台进一步为利用与光学模式共同传播的机械波激发模态间布里渊散射过程奠定了基础，从而实现非磁性隔离和单边带频率调制。