[论文解读] Toward Microphononic Circuits on Chip: An Evaluation of Components based on High-Contrast Evanescent Confinement of Acoustic Waves

Yangyang Liu, Nathan Dostart+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2017

Acoustic Wave Resonator Technologies被引用 8

一句话总结

本文提出了一种基于固态平面硅基结构中GHz频率声波的高慢度对比度倏逝场约束的单片集成微声子电路平台，无需悬空结构。结果表明，紧凑的微米尺度声学元件——如波导弯折、定向耦合器、Y型分束器和微环谐振器——可实现高Q因子（Q > 1,000）、低传播损耗（数微米至数毫米）以及亚10 µm的尺寸，从而在1–100 GHz频段内实现复杂且功能完整的片上信号处理电路。

ABSTRACT

We investigate the prospects for micron-scale acoustic wave components and circuits on chip in solid planar structures that do not require suspension. We leverage evanescent guiding of acoustic waves by high slowness contrast materials readily available in silicon complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) processes. High slowness contrast provides strong confinement of GHz frequency acoustic fields in micron-scale structures. We address the fundamental implications of intrinsic material and radiation losses on operating frequency, bandwidth, device size and as a result practicality of multi-element microphononic circuits based on solid embedded waveguides. We show that a family of acoustic components based on evanescently guided acoustic waves, including waveguide bends, evanescent couplers, Y-splitters, and acoustic-wave microring resonators, can be realized in compact, micron-scale structures, and provide basic scaling and performance arguments for these components based on material properties and simulations. We further find that wave propagation losses are expected to permit high quality factor (Q), narrowband resonators and propagation lengths allowing delay lines and the coupling or cascading of multiple components to form functional circuits, of potential utility in guided acoustic signal processing on chip. We also address and simulate bends and radiation loss, providing insight into routing and resonators. Such circuits could be monolithically integrated with electronic and photonic circuits on a single chip with expanded capabilities.

研究动机与目标

• 评估在无悬空结构的固态平面波导中实现微米尺度声学电路的可行性。
• 解决由本征材料损耗和辐射损耗带来的器件尺寸、带宽和电路复杂度的根本限制。
• 基于CMOS兼容材料中的高慢度对比度，实现紧凑且高性能的声学元件（如弯折、耦合器、分束器和谐振器）。
• 建立倏逝场约束声波导的缩放与性能准则，涵盖传播损耗、Q因子和元件尺寸。
• 实现微声子电路与电子和光子系统在单片芯片上的集成，以支持先进信号处理。

提出的方法

• 利用平面CMOS兼容结构中材料间的高慢度对比度（如Si与SiO₂）实现GHz声波在亚微米截面中的强倏逝场约束。
• 采用有限元法（FEM）仿真模拟波导几何结构中的声场分布、传播损耗和辐射损耗。
• 通过复弹性模量模型分析本征材料损耗，估算1–100 GHz频率范围内Q因子和线宽。
• 基于慢度对比度和波导几何结构推导元件尺寸的缩放规律，表明10 µm弯折和耦合器是可行的。
• 设计并仿真关键元件：采用S形几何结构的波导弯折以最小化辐射损耗，耦合长度小于5 µm的定向耦合器，具有3 dB对称性的Y型分束器，以及高Q因子的微环谐振器。
• 利用模匹配和功率流分析评估弯折和耦合器中的辐射损耗，以指导紧凑、低损耗的布线策略。

实验结果

研究问题

• RQ1 高慢度对比度的倏逝场约束是否可在无悬空结构的固态平面CMOS兼容结构中实现微米尺度声波导？
• RQ2 本征材料损耗和辐射损耗对这类波导的工作频率、带宽和传播长度的根本限制是什么？
• RQ3 能否利用倏逝耦合在亚10 µm尺寸内实现紧凑且高Q因子的声学元件（如弯折、耦合器、分束器和谐振器）？
• RQ4 慢度对比度如何影响定向耦合器的最小弯曲半径和耦合长度？
• RQ5 这些元件在多大程度上可级联或互连以构成功能性的多元素微声子电路？

主要发现

• 可实现半径仅为10 µm的波导弯折且辐射损耗极低，从而实现微声子电路中的紧凑布线。
• 在3.35 GHz频率下，定向耦合器的有效耦合长度可小于5 µm，支持亚10 µm的元件尺寸。
• 采用S形弯折结构，可在约20 µm长、10 µm宽的结构中设计出50:50功率分配的Y型分束器，确保对称性和低损耗。
• 在高慢度对比度波导中制造的微环谐振器可实现数千量级的Q因子，支持窄带信号处理。
• 传播损耗足够低，可在1–100 GHz频段实现数微米至数毫米的传播距离，支持延迟线和级联元件的集成。
• 该平台支持与CMOS工艺兼容的电子和光子系统单片集成，可实现用于射频、传感和光机械信号处理的复杂片上系统。