【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所異質集成XOI課題組歐欣研究員張師斌研究員團隊，基于LiTaO3/SiC異質集成襯底平臺，發現了壓電異質襯底上的雙模天然單向發射現象，并基于新奇的聲子發射現象實現了超小型頻分器。雙模單向天然單向發射換能器(DMNUDT)可以將水平剪切波模式(SH SAW)和縱波模式(LL SAW)的聲表面波向相反的方向發射，實現頻率信號的空間分離，配合發射方向反轉的接收器可以在諧振器的尺寸內實現頻率分離的功能。實驗制成的頻分器在兩個頻段均實現了大于15dB的信號比，作為一種片上集成的超小型“路由器”在多頻段協同通信當中有著巨大的應用潛力。此外，DMNUDT獨特的聲子發射特性也有望催生聲光、量子器件方面新的突破。相關研究工作以“Mode-determined unidirectional phonon transducers for minimal frequency splitter”為題發表于國際學術期刊《自然·通信》(Nature Communications)上。
研究背景
自1965年White發明叉指換能器(IDT)以來，聲表面波就成為了研究聲子物理的一個便捷的平臺，被廣泛的應用在聲光耦合、自旋電子學、傳感、射頻濾波、量子技術以及微流控等領域。聲子的精準控制可以帶來提高系統的信噪比，降低系統功耗并提高系統的穩定性，因此，研究人員開發了諸多聲子調控手段。例如給聲子裝上軌道的聲波導，增強聲波幅度電聲放大器，以及調整聲波相位的移相器等。目前研究更多關注聲波傳輸過程中的調控，本工作則聚焦在聲波發射的過程。
傳統的叉指換能器通常沿傳播軸向雙向發射聲子，這在無損耗通信系統中會導致一半的能量流失，并可能因邊界反射引入噪聲。為了解決這一問題，單相單向換能器(SPUDT)于1982年被發明，通過非對稱電極設計實現單向輻射。然而，SPUDT的發射方向一旦制備完成即被鎖定，且通常僅針對單一模式優化。隨著聲光相互作用、自旋電子學及量子技術的發展，對片上聲子操控的精度和靈活性提出了更高要求。特別是如何在異質集成材料平臺(如POI)上利用材料本身的特性來調控聲子發射，成為了一個新的研究維度。
研究亮點
研究團隊采用42°Y LiTaO?/4H-SiC異質襯底。高聲速的SiC襯底不僅支持高聲速LL SAW，還通過邊界條件極大地“扭曲”了壓電層中的SH SAW。這種波形畸變拓展了SH SAW的機電耦合分量，使SH SAW在偏離X軸傳播是呈現出單向發射的特點。LL SAW模式在偏離X軸傳播時，其導納響應也呈現出了單向發射特有的雙諧振峰特點。通過參數優化，如圖1雷達圖所示，可以知道兩個模式在±20°X下傳輸時可以實現接近且較大的單向發射比。
圖1 42°Y切LT/SiC襯底上的天然單向發射現象。對于沿特定方向布置的DMNUDT，LL SAW模式和SH SAW模式朝相反的方向發射。
基于標準的IDT不僅可以實現SH SAW和LL SAW的天然單向發射，更有趣的是，兩個模式的單向發射方向相反。這便意味著混頻的電信號輸入到換能器中時，會轉換成偏振不同的聲子并且在空間中分離。由此很容易想到，在DMNUDT兩側布置接收器，即可實現分頻器件(如圖2a)。然而天然單向發射現象在此時則成為了接收器設計的阻礙，由于壓電效應的互易性，向左側單向發射A模式聲波的換能器僅能有效接收從左側來的A模式聲波。因此，需要使用SPUDT設計來重新定義換能器的聲波發射方向，才能構建正常工作的頻分器(圖2c)。典型器件的仿真結果如圖2b。
圖2 基于DMNUDT的分頻器設計 a)頻分器概念圖，利用DMNUDT將頻率信號在空間中分離實現頻分器；b)頻分器仿真響應圖；c)頻分器結構圖，通過SPUDT實現換能器換能方向的反轉
制備的超小型頻分器光鏡圖如圖3a所示，器件基礎功能能夠在一個諧振器的面積能實現。在發射和接收換能器的邊界處進行FIB觀察，可以清晰地觀察到不同端口的電極設計區別(圖3b)。端口匹配后的器件測試結果如圖3c和d所示，在SH SAW和LL SAW頻段均實現了10dB以上的傳輸比。后續通過進一步優化發射端口和接收端口的響應頻率，我們成功將兩個頻段的傳輸比提升到了15dB以上。
圖3 分頻器實驗結果 a)器件光鏡圖；b)發射接受交界處電鏡圖，可以看到發射和接收端換能器設計的區別；c)沿-20°X和d) 20°X傳輸的頻分器測試結果，可以看到關于X軸方向聲波反對稱的發射特性。(a,b中scale bar分別為20 μm和250 nm)
基于標準的IDT不僅可以實現SH SAW和LL SAW的天然單向發射，更有趣的是，兩個模式的單向發射方向相反。這便意味著混頻的電信號輸入到換能器中時，會轉換成偏振不同的聲子并且在空間中分離。由此很容易想到，在DMNUDT兩側布置接收器，即可實現分頻器件(如圖2a)。然而天然單向發射現象在此時則成為了接收器設計的阻礙，由于壓電效應的互易性，向左側單向發射A模式聲波的換能器僅能有效接收從左側來的A模式聲波。因此，需要使用SPUDT設計來重新定義換能器的聲波發射方向，才能構建正常工作的頻分器(圖2c)。典型器件的仿真結果如圖2b。
總結與展望
SAW器件常見的設計構型與對應的換能器設計如圖4，DMNUDT獨特的聲波發射特性給聲表面波器件的功能設計提供了一個全新的維度，打破了器件制成后，聲子的發射方向無法調整的問題。DMNUDT發射方向隨頻率可調的特性有著諸多應用場景(見圖5)，基于此提出的極簡頻率分束器可以作為一種片上集成的“路由器”，在5G/6G通信中的載波聚合(Carrier Aggregation)、非獨立組網模式以及未來的緊湊型射頻前端模塊中具有廣闊的應用前景。舉個例子，LL SAW的工作頻率接近SH SAW的1.5倍，因此，目前的頻分器可以很好地適配4G n41(2496-2690 MHz)和5G n77(3300-4200 MHz)頻段的協同工作。此外，利用DMNUDT信息可以通過編碼進不同頻率實現路徑選擇，聲光調制方面可能可以通過DMNUDT對MZI的兩個支路進行分別/同時的調制；量子器件方面，頻率綁定的傳輸方向也讓量子比特之間的信息傳輸有更多的設計空間。
圖4 聲表面波器件構型與換能器設計
圖5 DMNUDT器件的應用場景
論文共同第一作者為中國科學院上海微系統所集成電路材料全國重點實驗室的博士研究生何炬星，張師斌研究員和博士后鄭鵬程，論文通訊作者為中國科學院上海微系統所集成電路材料全國重點實驗室張師斌研究員和歐欣研究員。該研究工作得到國家自然科學基金項目 (62293524，62204252，62231023)、中國科學院戰略性優先研究項目 (No. XDB0670202)、中國科協青年人才托舉工程項目(2022QNRC001)、中國科學院青促會上海啟明星計劃 (24YF1405300)等支持。
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