近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所异质集成XOI课题组欧欣研究员张师斌研究员团队，基于LiTaO3/SiC异质集成衬底平台，发现了压电异质衬底上的双模天然单向发射现象，并基于新奇的声子发射现象实现了超小型频分器。双模单向天然单向发射换能器（DMNUDT）可以将水平剪切波模式（SH SAW）和纵波模式（LL SAW）的声表面波向相反的方向发射，实现频率信号的空间分离，配合发射方向反转的接收器可以在谐振器的尺寸内实现频率分离的功能。实验制成的频分器在两个频段均实现了大于15dB的信号比，作为一种片上集成的超小型“路由器”在多频段协同通信当中有着巨大的应用潜力。此外，DMNUDT独特的声子发射特性也有望催生声光、量子器件方面新的突破。相关研究工作以“Mode-determined unidirectional phonon transducers for minimal frequency splitter”为题发表于国际学术期刊《自然·通信》(Nature Communications)上。
研究背景
自1965年White发明叉指换能器（IDT）以来，声表面波就成为了研究声子物理的一个便捷的平台，被广泛的应用在声光耦合、自旋电子学、传感、射频滤波、量子技术以及微流控等领域。声子的精准控制可以带来提高系统的信噪比，降低系统功耗并提高系统的稳定性，因此，研究人员开发了诸多声子调控手段。例如给声子装上轨道的声波导，增强声波幅度电声放大器，以及调整声波相位的移相器等。目前研究更多关注声波传输过程中的调控，本工作则聚焦在声波发射的过程。
传统的叉指换能器通常沿传播轴向双向发射声子，这在无损耗通信系统中会导致一半的能量流失，并可能因边界反射引入噪声。为了解决这一问题，单相单向换能器（SPUDT）于1982年被发明，通过非对称电极设计实现单向辐射。然而，SPUDT的发射方向一旦制备完成即被锁定，且通常仅针对单一模式优化。随着声光相互作用、自旋电子学及量子技术的发展，对片上声子操控的精度和灵活性提出了更高要求。特别是如何在异质集成材料平台（如POI）上利用材料本身的特性来调控声子发射，成为了一个新的研究维度。
研究亮点
研究团队采用42°Y LiTaO₃/4H-SiC异质衬底。高声速的SiC衬底不仅支持高声速LL SAW，还通过边界条件极大地“扭曲”了压电层中的SH SAW。这种波形畸变拓展了SH SAW的机电耦合分量，使SH SAW在偏离X轴传播是呈现出单向发射的特点。LL SAW模式在偏离X轴传播时，其导纳响应也呈现出了单向发射特有的双谐振峰特点。通过参数优化，如图1雷达图所示，可以知道两个模式在±20°X下传输时可以实现接近且较大的单向发射比。
图1 42°Y切LT/SiC衬底上的天然单向发射现象。对于沿特定方向布置的DMNUDT，LL SAW模式和SH SAW模式朝相反的方向发射。
基于标准的IDT不仅可以实现SH SAW和LL SAW的天然单向发射，更有趣的是，两个模式的单向发射方向相反。这便意味着混频的电信号输入到换能器中时，会转换成偏振不同的声子并且在空间中分离。由此很容易想到，在DMNUDT两侧布置接收器，即可实现分频器件（如图2a）。然而天然单向发射现象在此时则成为了接收器设计的阻碍，由于压电效应的互易性，向左侧单向发射A模式声波的换能器仅能有效接收从左侧来的A模式声波。因此，需要使用SPUDT设计来重新定义换能器的声波发射方向，才能构建正常工作的频分器（图2c）。典型器件的仿真结果如图2b。
图2 基于DMNUDT的分频器设计 a)频分器概念图，利用DMNUDT将频率信号在空间中分离实现频分器；b)频分器仿真响应图；c)频分器结构图，通过SPUDT实现换能器换能方向的反转
制备的超小型频分器光镜图如图3a所示，器件基础功能能够在一个谐振器的面积能实现。在发射和接收换能器的边界处进行FIB观察，可以清晰地观察到不同端口的电极设计区别（图3b）。端口匹配后的器件测试结果如图3c和d所示，在SH SAW和LL SAW频段均实现了10dB以上的传输比。后续通过进一步优化发射端口和接收端口的响应频率，我们成功将两个频段的传输比提升到了15dB以上。
图3 分频器实验结果 a)器件光镜图；b)发射接受交界处电镜图，可以看到发射和接收端换能器设计的区别；c)沿-20°X和d) 20°X传输的频分器测试结果，可以看到关于X轴方向声波反对称的发射特性。（a,b中scale bar分别为20 μm和250 nm）
基于标准的IDT不仅可以实现SH SAW和LL SAW的天然单向发射，更有趣的是，两个模式的单向发射方向相反。这便意味着混频的电信号输入到换能器中时，会转换成偏振不同的声子并且在空间中分离。由此很容易想到，在DMNUDT两侧布置接收器，即可实现分频器件（如图2a）。然而天然单向发射现象在此时则成为了接收器设计的阻碍，由于压电效应的互易性，向左侧单向发射A模式声波的换能器仅能有效接收从左侧来的A模式声波。因此，需要使用SPUDT设计来重新定义换能器的声波发射方向，才能构建正常工作的频分器（图2c）。典型器件的仿真结果如图2b。
总结与展望
SAW器件常见的设计构型与对应的换能器设计如图4，DMNUDT独特的声波发射特性给声表面波器件的功能设计提供了一个全新的维度，打破了器件制成后，声子的发射方向无法调整的问题。DMNUDT发射方向随频率可调的特性有着诸多应用场景（见图5），基于此提出的极简频率分束器可以作为一种片上集成的“路由器”，在5G/6G通信中的载波聚合（Carrier Aggregation）、非独立组网模式以及未来的紧凑型射频前端模块中具有广阔的应用前景。举个例子，LL SAW的工作频率接近SH SAW的1.5倍，因此，目前的频分器可以很好地适配4G n41（2496-2690 MHz）和5G n77（3300-4200 MHz）频段的协同工作。此外，利用DMNUDT信息可以通过编码进不同频率实现路径选择，声光调制方面可能可以通过DMNUDT对MZI的两个支路进行分别/同时的调制；量子器件方面，频率绑定的传输方向也让量子比特之间的信息传输有更多的设计空间。
图4 声表面波器件构型与换能器设计
图5 DMNUDT器件的应用场景
论文共同第一作者为中国科学院上海微系统所集成电路材料全国重点实验室的博士研究生何炬星，张师斌研究员和博士后郑鹏程，论文通讯作者为中国科学院上海微系统所集成电路材料全国重点实验室张师斌研究员和欧欣研究员。该研究工作得到国家自然科学基金项目 (62293524，62204252，62231023)、中国科学院战略性优先研究项目 (No. XDB0670202)、中国科协青年人才托举工程项目（2022QNRC001）、中国科学院青促会上海启明星计划 (24YF1405300)等支持。
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