氮化矽平台上的寬頻聲光調變器：螺旋相位匹配架構突破調變瓶頸

薄氮化矽晶片級調變是量子光學與慣性感測系統整合的關鍵環節，既有 AOM 方案依賴光學共振腔增強，光學頻寬受限於腔體線寬，通常不足 1 奈米。這篇研究提出的螺旋相位匹配架構，讓工作頻率提升 35 倍，光學頻寬改善逾兩個數量級。

為何薄氮化矽調變困難

薄氮化矽的超低損耗來自刻意降低光學約束，典型截面為寬 2.4 微米、厚 96.5 奈米的氮化矽核，深埋二氧化矽包層，光學模態大幅延伸至包層，使移動邊界效應幾乎失效。替代方案如嵌入氮化鋁與空氣間隙，需引入蝕刻表面，增加散射損耗並破壞平台超低損耗前提。

圖 1：調變器實作與設計概述。圖中顯示層堆疊結構、橫截面掃描電子顯微鏡影像、光學模態輪廓、應變張量模擬、螺旋設計策略、場振幅演化以及相位匹配驗證。

螺旋相位匹配設計策略

論文以極長交互作用長度補償單位長度的弱耦合。行進波交叉指狀換能器（IDT）驅動聲波，螺旋波導每次穿越聲束時遇到精心選定的聲場相位，各段調變建設性疊加。光學相位失配定義了約 13 公分相干長度；螺旋幾何連續調整聲學相位，使有效交互長度超越相干長度兩倍。

量測結果

38 段螺旋 AOM 的調變效率與元件幾何：換能器在 468 MHz 下射頻–聲學電功率轉換效率約 5%；元件佔用面積 23 平方毫米，調變波導長度 6.1 公分；調變指數隨段數呈乘法成長，實驗數據緊密追蹤理論預測，驗證相位匹配策略在超過相干長度後仍持續有效。

圖 2：聲光調變器特性。圖中呈現製作完成的晶片、帶有幾何參數的光學顯微鏡影像、電反射係數、調變效率與頻率的關係、波導長度縮放、螺旋面積縮放、調變指數縮放驗證以及功率縮放行為。

將換能器孔徑從 378 微米擴大至 1.6 毫米，基本模態調變效率提升約 2.25 倍。在 704 MHz 高階聲學模態、34 dBm 驅動功率下，調變指數達到超過 π/2 弧度，對應半波電壓 Vπ 為 8.98 伏特、插入損耗 1.13 分貝，達到光學陀螺儀應用的邊帶產生閾值。

圖 3：高階聲學模態。圖中顯示額外聲學模態的應變張量模擬、揭示多個模態的寬頻頻率掃描、最強模態的調變效率、理論相位匹配頻寬、預期調變指數趨勢、706 MHz 模態的實驗縮放以及中間頻率模態的縮放。

圖 4：聲光阻抗匹配優化。圖中說明雙金屬厚度換能器設計、帶有參數的光學顯微鏡影像、改善的電反射、跨模態的增強調變指數、顯示熱效應的頻率掃描、高調變指數下的邊帶頻譜以及展示超過 90 奈米光學頻寬的波長相依調變效率。

光學頻寬驗證

在雷射 90 奈米調諧範圍內，四個聲學模態的調變效率變化均小於 3 分貝，光學頻寬相較共振腔方案改善逾兩個數量級。論文以 502 MHz AOM 搭配光機械加速度計完成 Pound-Drever-Hall（PDH）鎖定，在 1.8 kHz 機械共振附近量測雜訊等效加速度達 6766 奈克每平方根赫茲，為薄氮化矽平台首次完全整合的 PDH 調變驗證。

圖 5：調變器在光機械感測系統中的應用。圖中顯示封裝的加速度計晶片、蛇形彈簧結構的光學顯微鏡影像、操作示意圖、實驗設置、PDH 誤差訊號產生以及測量的轉移函數與雜訊等效加速度。

更廣泛的應用前景

螺旋聲光調變器架構補上了薄氮化矽光子工具箱中的一塊缺口，同時具備光學寬頻運作、未釋放製程與高頻調變能力，這個組合此前尚未在同一元件上實現。在高頻下達到 π/2 調變指數，對光學陀螺儀等需要強邊帶產生的應用格外關鍵，顯示結合光機械加速度計與光學陀螺儀的完全整合慣性測量單元，可能因此變得可行。透過延伸交互作用長度、以元件面積換取調變強度的做法，也可轉移到其他弱約束光子平台，為完整晶片上系統的整合控制提供另一條路徑。

參考文獻

1. S. E. Kenning, T.-H. Chang, A. G. Attanasio, W. Jin, A. Feshali, Y. Tian, M. Paniccia, and S. A. Bhave, "Broadband acousto-optic modulators on Silicon Nitride," Nat. Commun., vol. 17, no. 897, pp. 1–9, Dec. 2025, doi: 10.1038/s41467-025-67618-3.