近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所異質(zhì)集成XOI課題組歐欣研究員張師斌研究員團(tuán)隊(duì)，基于LiTaO3/SiC異質(zhì)集成襯底平臺，發(fā)現(xiàn)了壓電異質(zhì)襯底上的雙模天然單向發(fā)射現(xiàn)象，并基于新奇的聲子發(fā)射現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)了超小型頻分器。雙模單向天然單向發(fā)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(fā)射，實(shí)現(xiàn)頻率信號的空間分離，配合發(fā)射方向反轉(zhuǎn)的接收器可以在諧振器的尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)頻率分離的功能。實(shí)驗(yàn)制成的頻分器在兩個(gè)頻段均實(shí)現(xiàn)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(xié)同通信當(dāng)中有著巨大的應(yīng)用潛力。此外，DMNUDT獨(dú)特的聲子發(fā)射特性也有望催生聲光、量子器件方面新的突破。相關(guān)研究工作以“Mode-determined unidirectional phonon transducers for minimal frequency splitter”為題發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通信》(Nature Communications)上。 

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-66680-1 

研究背景

自1965年White發(fā)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(gè)便捷的平臺，被廣泛的應(yīng)用在聲光耦合、自旋電子學(xué)、傳感、射頻濾波、量子技術(shù)以及微流控等領(lǐng)域。聲子的精準(zhǔn)控制可以帶來提高系統(tǒng)的信噪比，降低系統(tǒng)功耗并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此，研究人員開發(fā)了諸多聲子調(diào)控手段。例如給聲子裝上軌道的聲波導(dǎo)，增強(qiáng)聲波幅度電聲放大器，以及調(diào)整聲波相位的移相器等。目前研究更多關(guān)注聲波傳輸過程中的調(diào)控，本工作則聚焦在聲波發(fā)射的過程。

傳統(tǒng)的叉指換能器通常沿傳播軸向雙向發(fā)射聲子，這在無損耗通信系統(tǒng)中會導(dǎo)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(fā)明，通過非對稱電極設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)單向輻射。然而，SPUDT的發(fā)射方向一旦制備完成即被鎖定，且通常僅針對單一模式優(yōu)化。隨著聲光相互作用、自旋電子學(xué)及量子技術(shù)的發(fā)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(zhì)集成材料平臺（如POI）上利用材料本身的特性來調(diào)控聲子發(fā)射，成為了一個(gè)新的研究維度。

研究亮點(diǎn)

研究團(tuán)隊(duì)采用42°Y LiTaO?/4H-SiC異質(zhì)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(jī)電耦合分量，使SH SAW在偏離X軸傳播是呈現(xiàn)出單向發(fā)射的特點(diǎn)。LL SAW模式在偏離X軸傳播時(shí)，其導(dǎo)納響應(yīng)也呈現(xiàn)出了單向發(fā)射特有的雙諧振峰特點(diǎn)。通過參數(shù)優(yōu)化，如圖1雷達(dá)圖所示，可以知道兩個(gè)模式在±20°X下傳輸時(shí)可以實(shí)現(xiàn)接近且較大的單向發(fā)射比。

圖1 42°Y切LT/SiC襯底上的天然單向發(fā)射現(xiàn)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(fā)射。

基于標(biāo)準(zhǔn)的IDT不僅可以實(shí)現(xiàn)SH SAW和LL SAW的天然單向發(fā)射，更有趣的是，兩個(gè)模式的單向發(fā)射方向相反。這便意味著混頻的電信號輸入到換能器中時(shí)，會轉(zhuǎn)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(cè)布置接收器，即可實(shí)現(xiàn)分頻器件（如圖2a）。然而天然單向發(fā)射現(xiàn)象在此時(shí)則成為了接收器設(shè)計(jì)的阻礙，由于壓電效應(yīng)的互易性，向左側(cè)單向發(fā)射A模式聲波的換能器僅能有效接收從左側(cè)來的A模式聲波。因此，需要使用SPUDT設(shè)計(jì)來重新定義換能器的聲波發(fā)射方向，才能構(gòu)建正常工作的頻分器（圖2c）。典型器件的仿真結(jié)果如圖2b。

圖2 基于DMNUDT的分頻器設(shè)計(jì) a)頻分器概念圖，利用DMNUDT將頻率信號在空間中分離實(shí)現(xiàn)頻分器；b)頻分器仿真響應(yīng)圖；c)頻分器結(jié)構(gòu)圖，通過SPUDT實(shí)現(xiàn)換能器換能方向的反轉(zhuǎn)

制備的超小型頻分器光鏡圖如圖3a所示，器件基礎(chǔ)功能能夠在一個(gè)諧振器的面積能實(shí)現(xiàn)。在發(fā)射和接收換能器的邊界處進(jìn)行FIB觀察，可以清晰地觀察到不同端口的電極設(shè)計(jì)區(qū)別（圖3b）。端口匹配后的器件測試結(jié)果如圖3c和d所示，在SH SAW和LL SAW頻段均實(shí)現(xiàn)了10dB以上的傳輸比。后續(xù)通過進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)射端口和接收端口的響應(yīng)頻率，我們成功將兩個(gè)頻段的傳輸比提升到了15dB以上。

圖3 分頻器實(shí)驗(yàn)結(jié)果 a)器件光鏡圖；b)發(fā)射接受交界處電鏡圖，可以看到發(fā)射和接收端換能器設(shè)計(jì)的區(qū)別；c)沿-20°X和d) 20°X傳輸?shù)念l分器測試結(jié)果，可以看到關(guān)于X軸方向聲波反對稱的發(fā)射特性。（a,b中scale bar分別為20 μm和250 nm）

基于標(biāo)準(zhǔn)的IDT不僅可以實(shí)現(xiàn)SH SAW和LL SAW的天然單向發(fā)射，更有趣的是，兩個(gè)模式的單向發(fā)射方向相反。這便意味著混頻的電信號輸入到換能器中時(shí)，會轉(zhuǎn)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(cè)布置接收器，即可實(shí)現(xiàn)分頻器件（如圖2a）。然而天然單向發(fā)射現(xiàn)象在此時(shí)則成為了接收器設(shè)計(jì)的阻礙，由于壓電效應(yīng)的互易性，向左側(cè)單向發(fā)射A模式聲波的換能器僅能有效接收從左側(cè)來的A模式聲波。因此，需要使用SPUDT設(shè)計(jì)來重新定義換能器的聲波發(fā)射方向，才能構(gòu)建正常工作的頻分器（圖2c）。典型器件的仿真結(jié)果如圖2b。

總結(jié)與展望

SAW器件常見的設(shè)計(jì)構(gòu)型與對應(yīng)的換能器設(shè)計(jì)如圖4，DMNUDT獨(dú)特的聲波發(fā)射特性給聲表面波器件的功能設(shè)計(jì)提供了一個(gè)全新的維度，打破了器件制成后，聲子的發(fā)射方向無法調(diào)整的問題。DMNUDT發(fā)射方向隨頻率可調(diào)的特性有著諸多應(yīng)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(dú)立組網(wǎng)模式以及未來的緊湊型射頻前端模塊中具有廣闊的應(yīng)用前景。舉個(gè)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(xié)同工作。此外，利用DMNUDT信息可以通過編碼進(jìn)不同頻率實(shí)現(xiàn)路徑選擇，聲光調(diào)制方面可能可以通過DMNUDT對MZI的兩個(gè)支路進(jìn)行分別/同時(shí)的調(diào)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(shè)計(jì)空間。

圖4 聲表面波器件構(gòu)型與換能器設(shè)計(jì)

圖5 DMNUDT器件的應(yīng)用場景

論文共同第一作者為中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所集成電路材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xué)院上海微系統(tǒng)所集成電路材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xué)基金項(xiàng)目 (62293524，62204252，62231023)、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性優(yōu)先研究項(xiàng)目 (No. XDB0670202)、中國科協(xié)青年人才托舉工程項(xiàng)目（2022QNRC001）、中國科學(xué)院青促會上海啟明星計(jì)劃 (24YF1405300)等支持。

（來源：上海微系統(tǒng)所）