基于声子晶体马赫-曾德尔干涉仪和Terfenol-D磁控双向弹性开关的MHz频段声波路由技术

研究人员针对声通信系统中多端口、低损耗声波调控需求，创新性地设计了一种基于固体-固体声子晶体(Phononic Crystal, PnC)马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构的2×2双向弹性开关。通过磁致伸缩材料Terfenol-D的ΔE效应动态调控杨氏模量，实现了MHz频段(2.3126MHz)声波路径的精准控制，平均消光比达15.14dB，插入损耗仅0.26dB。该研究为声学网络提供了结构简单、性能优越的波导切换方案。

　　

在声波通信和信号处理领域，如何实现高效、低损耗的声波路径切换一直是亟待解决的核心问题。传统声学开关存在端口单一、调控机制复杂等局限，而现有基于声子晶体(Phononic Crystal, PnC)的解决方案又普遍面临消光比低、插入损耗高等技术瓶颈。特别是在MHz频段的应用场景中，兼具双向操作能力和相位精确调控功能的声学开关器件仍属空白。

为突破这些限制，研究人员在《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》发表了一项创新研究。该团队设计了一种基于马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer, MZI)架构的磁控双向2×2弹性开关。研究采用钨圆柱/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基固体-固体声子晶体作为波导基质，在干涉仪双臂嵌入空心圆柱状磁致伸缩材料Terfenol-D，通过外部磁场调控其杨氏模量(39-60GPa)，从而实现对弹性波相位的精确控制。

关键技术包括：有限元法(FEM)模拟声子晶体带隙特性，超晶胞法计算缺陷态色散关系，以及基于ΔE效应的磁-弹耦合调控。特别值得注意的是，研究团队通过优化W型波导结构和3dB耦合器设计，在2.3126MHz工作频率下实现了优异的波导性能。

2×2弹性开关设计
研究采用11×19阵列的方形晶格PnC结构，晶格常数500μm，钨圆柱半径200μm。通过移除特定位置圆柱形成W型双波导，构成MZI的对称双臂。Terfenol-D空心圆柱(外径200μm，内径185μm)作为相位调制单元嵌入双臂，其内部填充PMMA以优化声阻抗匹配。

PnC构型与色散曲线
能带计算显示该结构在0.82-3.05MHz存在明显带隙。引入线缺陷后形成的波导模式在2.3126MHz处呈现高传输效率，为开关操作提供理想工作频点。

弹性波传播方程
基于固体介质中的Navier方程，推导出相位差Δφ=2kN_sp
L关系式，证实通过改变Terfenol-D的杨氏模量可精确调控波程差。

仿真与结果
在113Oe磁场下(模式1)，双臂Terfenol-D杨氏模量均降至39GPa，波导传输效率达96%，消光比14.54dB；零磁场时(模式2)，模量升至60GPa引发π相位差，实现98%的交叉端口传输，消光比提升至15.74dB。位移场分布直观展示了双向开关功能，相位分析证实输出端口存在2.71π(≈180°)相位反转。

性能评估
该开关平均消光比15.14dB远超同类器件，0.26dB的插入损耗显著低于传统T型结构开关(1.77dB)。对比研究显示，其97%的传输效率较现有1×3开关(67%)有显著提升。

这项研究的重要意义在于：首次实现了基于磁控相位调制的双向声学开关，通过创新的PnC-MZI架构解决了多端口声波路由的技术难题。采用的ΔE效应调控机制无需复杂机械结构，为开发高集成度声学集成电路提供了新思路。特别值得注意的是，该设计兼容标准微加工工艺(如电子束光刻)，具有明确的工程化前景，将推动声通信系统、超声成像设备和声学信号处理器件的创新发展。研究展现的相位精确调控方法，还可拓展应用于声学传感、噪声控制等多个领域。