聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）是一种非晶硅弹性体聚合物，具有很强的基底粘附性，仅需简单的模具制造过程就能复制复杂结构，能无缝集成到多种器件结构中。考虑到PDMS声速小、弹光系数大、宽谱范围透射率高的优点，文章首次将其应用到声光调制中，得到了性能优异的微尺度PDMS相位调制器（-PDMS）。
研究者还在-PDMS表面集成了等离子体纳米结构，发挥表面等离子激元的近场增强效应，辅以热泳效应和光约束效应，在金膜表面富集气体分子，系统高效、紧凑，可同时适用于气体直接光梳光谱（direct frequency comb spectroscopy，DFCS）和等离子体光梳光谱应用。
X特点
本文的交叉创新点在于：将柔性PDMS作为声光材料，制作新型声光相位调制器，同时集成等离子体纳米结构，调控光-物质相互作用，得到超高分辨率等离子体光梳光谱。
光学和柔性材料的交叉研究
将柔性PDMS作为声光材料，制备微尺度PDMS相位调制器（-PDMS）。
光子学与纳米技术的交叉研究
等离子体纳米结构与-PDMS同时集成。
主要研究内容
本文将芯片级微尺度柔性PDMS作为光梳声光调制的介质，集成等离子体纳米结构，制备了性能优异的声光相位调制器，得到了亚MHz频率分辨率的相位调制光梳，并用其进行法布里-珀罗干涉仪（Fabry-Pérot interferometer，FPI）透射谱测量。主要研究内容如下：
微尺度PDMS声光调制器的制作
通过提高PDMS组分的比例，从而减少固化剂的使用量，得到了聚合链间化学交联较弱的柔性PDMS材料，具有高透射率、慢声速（相较传统晶体声光介质减少6倍）、大弹光系数的特点，因而相位调制指数大（相较传统晶体声光介质提高4倍）。
-PDMS相位调制的高分辨率光梳
对光梳相位调制，基于PDMS调制效果与入射声波方向无关的特点，采用双相位调制方案得到亚MHz、功率分布准平坦的高分辨率光梳。
等离子体纳米结构的集成
厚度100nm、六边形排列的金纳米孔阵列，孔径400nm，间距800nm，将其集成在-PDMS上。金膜不会因入射声波而损坏，集成等离子体结构不会引起声光相位调制效果恶化。
FPI透射谱的高分辨率光谱分析
使用本文提出的集成等离子体纳米结构的-PDMS相位调制器，通过DFCS法，对小于1MHz透射带宽的高精细度FPI进行高分辨率光谱分析。
技术突破与创新
性能优异的芯片级-PDMS声光相位调制器
-PDMS相较传统体材料SiO2声光调制器，调制带宽提高了1.6倍、相位调制指数显著更大。-PDMS调制频率的可调谐性好、抗应变干扰、性能稳健、对光斑质量无影响。特别地，相位调制效果与入射声波方向无关，便于进行结构更灵活、更多样的新型光电设计。研究者沿两个方向、用两种不同调制频率的声波进行双相位调制，调制频率不存在性能退化和畸变，在每个100MHz重频间隔内，调制出的交错纵模以1MHz间隔均匀分布，功率分布相对平坦，最低纵模SNR为10dBm。
-PDMS相位调制过程中不会引入实质性的相位噪声，光斑入射PDMS不同位置处的相位噪声一致，相位调制性质不受光学对准条件的影响。在1000秒平均下频率稳定性约2.48×10-18，PDMS相位调制器能进行长时间运行。
图1 PDMS的声光相位调制特性。a.用于表征PDMS和SiO₂声光相位调制的实验装置示意图。b.通过频谱分析仪测量的PDMS和SiO₂的相位调制光频梳射频拍频频谱（上图）。随声波调制频率的变化（下图）。c.三个不同声波入射角度对应的关系曲线。d.声波频率以1 Hz步进扫描时，+1级相位调制光纵模的测量结果。e.双声波频率分别为0.5 MHz和0.5 MHz + 7 Hz时，不同入射角度下+1级相位调制光纵模的测量结果。f.双相位调制光梳在100 MHz带宽范围内的射频拍频频谱，其中调制频率分别为1 MHz和5 MHz。g. PDMS在0-8%压缩应变范围内的测量结果（入射光偏振方向分别设定为横磁TM和横电TE方向）。（注：原文Fig.2）
等离子体纳米结构的集成与FPI透射谱的精确测量
-PDMS集成等离子体纳米结构（金膜）后，不会影响相位调制的强度、调制精度和纵模线宽。作者推断，当PDMS固定到Si3N4等固体衬底上时，仍能实现相同的折射率调制，这证明了PDMS能适用于各种硅基光子学应用。
研究者采用双相位调制方案，产生了0.5MHz纵模间距的超高分辨率、功率分布平坦的交错光梳，广泛分布于整个光梳谱宽范围，并用其进行了高精细度、可调谐FPI透射谱测量。实验结果表明，相位调制光梳能清晰分辨低于1 MHz带宽的 FPI透射谱，这是原始100 MHz重频光梳无法实现的。此外，通过精确调整FPI的腔长，系统能检测出FPI透射谱的细微变化。
图2 基于集成等离子体纳米结构的-PDMS的FPI透射谱DFCS分析。a. 基于-PDMS的双相位调制光梳系统示意图（上图）；实验中使用的集成金等离子体纳米结构的-PDMS的光学显微镜图和扫描电镜图（下图）。b. 比较是否集成金纳米结构的-PDMS相位调制结果。调制频率设为4 MHz，都获得了32 MHz的相同调制带宽。c. 是否集成金纳米结构的-PDMS的+1级相位调制光纵模比较。d. 集成金纳米结构的-PDMS原始光梳的线宽评估。e. 使用双相位调制（1.0 MHz，4.5 MHz）生成的相位调制光梳射频拍频频谱。f. FPI透射谱的DFCS测量示意图。该FPI具有低于1 MHz的光谱分辨率。g. 参考信号（不通过FPI）和测量信号（通过FPI）的频谱图（左图）。红色表示对FPI经过精细腔长调节后的结果。FPI精细腔长调节前后透射谱的对比（右图）。（注：原文Fig.4）
观点评述
本文提出一种芯片大小的多频率声光相位调制技术，通过共定位等离子体纳米结构调控光-物质相互作用。声光材料为柔性PDMS，这是该材料首次应用于声光调制。该技术能产生0.5 MHz分辨率的超精确光梳光谱，光谱分辨率相较传统光梳提升了200倍。相较传统晶体声光介质，在0.2 MHz-2 MHz调制频率范围内，相位调制指数提升了4倍。即使在8%压缩应变下，仍能保持相同的性能。
PDMS的声光调制性能不受声波方向的影响，利用两个方向的双频率相位调制方案，实验产生的交错光梳功率分布准平坦，SNR最低10dBm。通过对FPI透射谱的高分辨率光谱分析，证明了系统的可行性，并通过参考光梳实现了绝对频率追踪。
这些结果展示了PDMS声光相位调制技术在量子光谱学、精细谐振腔分析和等离子体光梳光谱的潜在应用，具有经济高效、结构紧凑、多功能、芯片级大小等优点。
主要作者介绍
金山（ San Kim），釜山大学认知机电工程系2020级博士研究生，研究方向是高次谐波产生和光学频率梳。
金永振（Young-Jin Kim），现任韩国科学技术院（KAIST）机械工程系副教授，KAIST超精密技术研究中心超快光学研究室主任，韩国国家研究基金会基础科学实验室“基于超快直写技术的超薄平面激光诱导石墨烯（LIG）活性/超构光学器件研究组”主任。主要从事超精密测量与制造（UPM²）方向的研究，包括基于超快飞秒激光的技术应用，柔性/可拉伸电子器件/光学元件的高精度激光加工技术等。
https://pure.kaist.ac.kr/en/persons/young-jin-kim
金承哲（Seungchul Kim），现任釜山国立大学光学与机电工程系副教授，曾获韩国科学技术院年度最佳奖学金（SUKLIM计划）等奖项，于美国、德国及国际会议、研讨会作报告30余次（含14次特邀报告），于Nature, Nature Photonics, Nature Physics和Nature Communications等高影响力期刊发表论文30余篇。
https://www.skimlab.net/group-leader.html
本文出处
发表于：PhotoniX
论文链接：
https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-025--00170-x
文献检索：
PhotoniX 6, 12 (2025). https://doi.org/10.1186/s43074-025-00170-x