埋入式氮化硅波导中用于声光调制的声表面波

我们从理论上研究了利用瑞利声表面波（SAW）对由非晶介质构成的光波导进行折射率调制。考虑低损耗 Si$_3$N$_4$ 波导，其标准芯层截面尺寸为 4.4$\times$0.03 $\mu$m$^2$，埋入 SiO$_2$ 包层 8 $\mu$m 深处，我们比较了通过置于表面并由叉指换能器（IDT）驱动的压电活性锆钛酸铅薄膜，在多种不同几何结构下产生声表面波的情况。利用声波和光波方程的数值解，我们确定了谐振激励下声表面波的应变分布。根据声应变场与光模场的重叠，我们计算并最大化了波导中可达到的折射率调制幅度。以 840 nm 的近红外波长为例，对于 TE 偏振光，使用 30 - 35 $\mu$m 的 IDT 周期、2.5 - 3.5 $\mu$m 的薄膜厚度和 10 V 的 IDT 电压，获得了 0.7x10$^{-3}$ 的最大相对有效折射率偏移。对于这些参数，谐振频率在 70 - 85 MHz 范围内。当芯层上方的包层高度减小到 3 $\mu$m 时，最大偏移增加到 1.2x10$^{-3}$，相应的谐振频率为 87 MHz。该相对折射率变化比先前基于非谐振邻近压电驱动的工作高出约 300 倍，调制频率高出约 200 倍。在低损耗平衡马赫-曾德尔调制器中利用 1.2$\times$10$^{-3}$ 的最大相对折射率变化，应能在短至 120 $\mu$m 的器件中实现全对比度调制（半波电压长度积 = 0.24 Vcm）。