Thermoakustischer Phasenmodulator basierend auf Y36-geschnittenem LiNbO3-Dünnfilm
Xuankai Xu¹, Yushuai Liu1,2,3, Lihui Jin¹, Peng Wu, Yitao Liao und Tao Wu1,2,3,4
E-Mail: xuxk2022@shanghaitech.edu.cn; wutao@shanghaitech.edu.cn
¹School of Information Science and Technology, ShanghaiTech University, Shanghai, China
²Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Shanghai, China
³Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Peking, China
⁴Shanghai Engineering Research Center of Energy Efficient and Custom AI IC, Shanghai, China
⁵Xuzhou Liyu Advanced Technology Co. Ltd., Xuzhou, Jiangsu, China
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Abstrakt
Akustische Mikrowellenkomponenten weisen höhere Qualitätsfaktoren und weniger Übersprechen auf als elektromagnetische Komponenten. Eine effiziente Modulation akustischer Geräte ist für den Aufbau groß angelegter multifunktionaler akustischer Schaltkreise unerlässlich. Hier demonstrieren wir einen thermoakustischen Phasenmodulator, der auf einer Y36-geschnittenen LiNbO₃ (LN)-Dünnschichtplattform basiert. Die vorgeschlagene Struktur integriert eine akustische Verzögerungsleitung im 460-MHz-SH₀-Modus und eine On-Chip-Mikroheizung zur lokalen Änderung der Temperatur und damit zur Steuerung der Phase des ADL. Mit diesem Ansatz erreichen wir eine Phasenänderung von mehr als 281° bei einer Heizleistung von 20 mW und eine Modulationsfähigkeit von 17 °/mW im linearen Modulationsbereich, was einer 6,5-fachen Verbesserung gegenüber zuvor berichteten Bulk-LN-Plattformen entspricht. Unsere thermoakustischen Modulatoren ermöglichen eine rekonfigurierbare akustische Signalverarbeitung für drahtlose Kommunikations- und Mikrowellensysteme der nächsten Generation.
Schlüsselwörter: Thermoakustischer Phasenmodulator, akustische Verzögerungsleitung im SH₀-Modus, dünner LiNbO₃-Film
A. Design eines thermoakustischen Phasenmodulators
Abb. 1. Schema des thermoakustischen Phasenmodulators. Das HF-Signal wird über einen einphasigen unidirektionalen Wandler (SPUDT) in eine akustische Welle umgewandelt und über eine Heizung moduliert. Wenn die Heizung eingeschaltet wird, nimmt die elastische Konstante ab, wodurch die Schallgeschwindigkeit abnimmt, was zu einer kürzeren Wellenlänge im Modulationsbereich und schließlich zu einer Phasenverzögerung führt.
Der Herstellungsprozess begann mit einem 750 nm Y36-geschnittenen LN auf einem Siliziumwafer. Zunächst werden die Freisetzungsgrenzen des Geräts mit dem Fotolack AZ5214 definiert, dann wurden die freigelegten Bereiche durch Ionenstrahlätzen (IBE) mit einer Vorspannung von 300 V geätzt. In einem zweiten Lithographieschritt werden Elektroden definiert und eine 100 nm dicke Al-Schicht aufgesputtert, gefolgt von einem Lift-off-Prozess. Schließlich wurde das Silizium unter dem Gerät über XeF₂ freigesetzt, wodurch eine schwebende LN-Plattform entstand. Das optische Bild des hergestellten thermoakustischen Phasenmodulators und der Versuchsaufbau sind in Abb. 4 dargestellt. Die S-Parameter der Geräte wurden mit einem Vektornetzwerkanalysator (Keysight N5234B) gemessen, der mit zwei Ports ausgestattet ist, die mit RF-Sonden mit Masse-Signal-Masse (GSG) verbunden sind. Zur Beurteilung der DC-Vorspannungsphasensteuerung wurde ein DC-Quellenmessgerät (Keysight B2901A) zur Bereitstellung der DC-Spannung verwendet. In diesem Aufbau wird ein HF-Signal durch einen SPUDT an Port1 in eine horizontale Scherwelle umgewandelt. Diese akustische Welle breitet sich dann durch den Modulationsbereich aus und wird von einem weiteren SPUDT an Port2 empfangen, wo sie zur Auswertung der Phasenänderung wieder in ein HF-Signal umgewandelt wird. Die Designparameter des hergestellten Geräts sind in Tabelle II aufgeführt. Die Ausbreitungslänge (LPropagation) und die Modulationslänge (LModulation) sind auf 400 µm bzw. 200 µm ausgelegt. Die Wellenlänge (λ) ist auf 8 µm ausgelegt und zielt auf einen Betrieb bei einer Frequenz von etwa 460 MHz ab. Die Anzahl der Zellen (Ncell) ist auf 10 eingestellt, um eine effektive Übertragung der akustischen Welle zu gewährleisten.
TABELLE II. DESIGNPARAMETER
Abb. 5. (a) Die gemessenen S21-Parameter bei unterschiedlicher Eingangsleistung des Heizgeräts. (b) Die unverpackten Phasenwinkel. (c) Die Phasenwinkelverzögerung im Vergleich zum unmodulierten Phasenwinkel.
B. DC-Phasenmodulation
Die gemessenen S21-Parameter bei verschiedenen Heizleistungen sind in Abb. 5 (a) dargestellt. Die Testergebnisse zeigen trotz Änderungen der Modulationsleistung einen stabilen Frequenzgang, was darauf hindeutet, dass die thermische Energie effektiv um den Modulationsbereich herum lokalisiert ist und nur minimale Auswirkungen auf den SPUDT-Bereich hat. Abb. 5(b) zeigt die unverpackten Phasenwinkel und die Phasenwinkelverzögerung im Vergleich zum unmodulierten Phasenwinkel und veranschaulicht die akustische Phasenverschiebung mit zunehmender Modulationsleistung. Diese Verschiebung weist darauf hin, dass die Phasengeschwindigkeit der akustischen Welle mit steigender Modulationstemperatur abnimmt. Abb. 5(c) zeigt die modulierten Phasen relativ zur unmodulierten Phase über die Arbeitsfrequenzen. Bemerkenswert ist die Stabilität der modulierten Phase über diese Frequenzen hinweg, da sie darauf hindeutet, dass der Modulator über einen Frequenzbereich hinweg konsistent arbeiten kann. Bemerkenswert ist, dass bei einer Modulationsleistung von 20 mW, was einer Heizspannung von 1 V entspricht, der Modulationsphasenwinkel 281° erreicht. Der thermoakustische Dünnschicht-LN-Modulator weist eine signifikante Modulationsfähigkeit von 17 °/mW auf, was eine 6,5-fache Verbesserung im Vergleich zu zuvor berichteten Bulk-LN-Plattformen darstellt. Die Verbesserung der Modulationsfähigkeit wird auf die einzigartigen Eigenschaften der schwebenden Dünnschichtstruktur zurückgeführt. Das Dünnschichtdesign bietet eine hervorragende Wärmeisolierung, die die Ableitung von Wärmeenergie an umliegende Bereiche minimiert, und eine geringe Wärmekapazität, die schnelle und effiziente Temperaturänderungen bei minimalem Leistungsaufwand ermöglicht. Diese Eigenschaften führen zu einem deutlich reduzierten Stromverbrauch und einer erhöhten Modulationsfähigkeit, was den thermoakustischen Dünnschicht-LN-Modulator zu einer attraktiven Option für hocheffiziente Modulationsanwendungen mit geringem Stromverbrauch in fortschrittlichen HF- und Schallwellengeräten macht.
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