一维Thue-Morse准晶光子-声子晶体中声光相互作用增强机制研究及其在C波段的应用

本研究针对红外波段声光(AO)相互作用强度受限的难题，通过有限元法(FEM)系统研究了SiO2/Si构成的1D Thue-Morse准晶光子-声子晶体。发现TM(5)结构在a=420 nm时实现13.562 GHz声子与1550 nm光子的强耦合，产生0.8 nm波长位移，创下该材料体系声光调制新纪录。该缺陷自由结构展现出1150的超高光学品质因子，为集成光电器件设计提供了新思路。

　　

在光通信和传感领域，如何实现高效的光信号调控始终是核心挑战。传统声光(AO)器件依赖均匀介质中的体波相互作用，存在调制效率低、器件尺寸大等问题。光子晶体(PhC)和声子晶体的出现为操控电磁波与声波提供了新范式，而兼具两者特性的光子-声子晶体(PxC)更被视为实现强声光耦合的理想平台。然而，周期性PxC需要引入缺陷才能形成局域模式，且红外波段声波随频率平方增长的损耗严重制约着AO相互作用强度。近年来，准晶结构因其独特的非周期有序性展现出天然局域模式和多重旋转对称性优势，在光子-声子晶体领域崭露头角。

伊朗Sahand理工大学的研究团队在《Heliyon》发表创新研究，首次将Thue-Morse准晶序列引入1D光子-声子晶体设计。通过系统比较简单TM(j)和广义GTM(j,m,n)序列（10-25层），采用有限元法(FEM)分析SiO₂/Si多层结构的声光特性。研究聚焦C波段(1550 nm)光学模式与GHz声学模式的协同调控，通过精确优化几何参数实现0.8 nm的创纪录波长位移。

研究采用三项关键技术：1）准晶序列构建算法，按Thue-Morse数学规则生成非周期有序结构；2）多物理场耦合有限元分析，同步求解Maxwell和弹性波方程；3）Rayleigh阻尼模型量化声波衰减效应。通过扫描a参数(200-650 nm)和填充因子(1/5≤d_A/a≤4/5)，建立结构参数与声光性能的映射关系。

【光学分析】发现仅TM(5)序列在a=420/465/540 nm时产生1550 nm附近的高Q光学模式。其中a=420 nm(d_SiO2=132 nm, d_Si=288 nm)结构品质因子达1150，电场局域强度超3×10⁵ V/m。序列起始材料(SiO₂或Si)影响场分布对称性但不改变共振波长。

【声学分析】a=420 nm结构在"A"起始时呈现13.562 GHz和5.6501 GHz双声子峰，应变分布与光学模式空间重叠。声衰减使峰值降低但频率稳定，临界应变控制在6.5×10^-3以下避免结构破裂。

【声光相互作用】移动边界(MB)效应主导波长偏移，光弹(PE)效应贡献微弱。a=420 nm结构在13.562 GHz激励下产生0.8 nm位移，较文献报道值提升33%。声衰减使实际偏移降至0.25 nm，但低频段(4.7673 GHz)受影响较小。

该研究突破性地证明：1）Thue-Morse准晶无需缺陷即可实现光子-声子双局域；2）SiO₂/Si体系通过准晶优化可达到迄今最强声光调制；3）序列对称性决定场分布而几何参数控制共振特性。这些发现为准晶声光器件设计建立了新范式，特别为片上光通信系统提供了紧凑型调制解决方案。未来通过材料选择和层级结构设计，有望进一步克服高频声衰减限制，推动THz声光技术的发展。