從手機(jī)信號(hào)到量子芯片，現(xiàn)代無(wú)線設(shè)備越來(lái)越依賴一種“隱形"的波——表面聲波（SAW）；但產(chǎn)生這種微觀振動(dòng)的裝置始終被困于“多芯片、高功耗、低集成"的傳統(tǒng)架構(gòu)中，成為了系統(tǒng)集成路上大的絆腳石。近日，一項(xiàng)突破性研究改變了這一局面！

科羅拉多大學(xué)聯(lián)合亞利桑那大學(xué)和桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研制出全固態(tài)、單芯片、電注入式SAW聲子激光器；這項(xiàng)研究不僅將聲波產(chǎn)生裝置集成于單一芯片，更無(wú)需外部復(fù)雜射頻源驅(qū)動(dòng)，為未來(lái)無(wú)線通信、傳感與計(jì)算系統(tǒng)的小型化與高效化奠定基礎(chǔ)。該研究成果以“An electrically injected solid-state surface acoustic wave phonon laser"為題發(fā)表于Nature。

聲子激光器的工作原理類似標(biāo)準(zhǔn)二極管激光器，只是前者產(chǎn)生的是振動(dòng)而非光束。目前，主流的SAW產(chǎn)生方式依賴于一種叫做叉指換能器（IDT）的部件，它將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波。這就像是為聲音建造一座復(fù)雜的“轉(zhuǎn)換站"，這種“轉(zhuǎn)換站"架構(gòu)存在固有局限：當(dāng)頻率提高到數(shù)十 GHz時(shí)，所需的電極薄到難以制造，并會(huì)引入大量損耗。更重要的是，整個(gè)系統(tǒng)通常需要獨(dú)立的射頻源芯片和SAW芯片協(xié)同工作。這額外增加的體積、重量和功耗，與日益迫切的集成化需求背道而馳。

許多基于SAW的前沿應(yīng)用，其功能本與聲波的產(chǎn)生機(jī)制無(wú)關(guān)，但當(dāng)它們被迫依賴外部IDT源時(shí)，這一架構(gòu)的所有限制就會(huì)暴露。雖然有許多方法可以產(chǎn)生SAW，但大多數(shù)方法都需要兩塊不同的芯片和電源來(lái)產(chǎn)生聲波；因此，尋找一種更直接、更集成的SAW產(chǎn)生方式，已成為領(lǐng)域內(nèi)迫在眉睫的挑戰(zhàn)。

面對(duì)傳統(tǒng)路徑的瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)將目光投向了另一個(gè)已改變世界的領(lǐng)域——光學(xué)激光器。該論文的通訊作者、亞利桑那大學(xué)的Matt Eichenfield教授表示，“二極管激光器是大多數(shù)光學(xué)技術(shù)的基石，因?yàn)樗鼈冎恍桦姵鼗蚝?jiǎn)單的電壓源即可工作，不需要像以往激光器那樣需要更多光線來(lái)產(chǎn)生激光，而我們想做一種類似的激光器，但是用于SAWs。"

圖1 新型聲子激光器核心原理。（a）器件結(jié)構(gòu)；（b）直流偏置使電子動(dòng)量分布偏移，實(shí)現(xiàn)向前傳播聲子的“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)"；（c）理論增益曲線隨漂移場(chǎng)的變化;（d, e）芯片的顯微圖像

這一構(gòu)想的核心在于聲電效應(yīng)：在某些材料中，聲波與電子可以發(fā)生能量交換。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)異質(zhì)集成技術(shù)，將一層僅50 nm厚的高遷移率銦鎵砷（InGaAs）半導(dǎo)體薄膜與一層高性能壓電材料鈮酸鋰（LN）結(jié)合。LN作為壓電材料，振動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生振蕩電場(chǎng)；相應(yīng)地，當(dāng)器件中存在振蕩電場(chǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，器件的InGaAs層的電子在受到電場(chǎng)沖擊時(shí)被加速。這就可以創(chuàng)造一種非平衡狀態(tài)：對(duì)于向前傳播的聲波，處于高能態(tài)的電子更多，從而能夠通過(guò)受激發(fā)射將能量饋送給聲波，使其增強(qiáng)；而對(duì)于反向傳播的聲波，電子則更多地表現(xiàn)為吸收其能量。論文作者Alexander Wendt表示，“它倒退時(shí)幾乎會(huì)損失99%的功率，為了實(shí)現(xiàn)凈增益，我們?cè)O(shè)計(jì)它在前進(jìn)時(shí)獲得相當(dāng)大的增益以克服這個(gè)差距。"

因此，研究團(tuán)隊(duì)將整個(gè)增益結(jié)構(gòu)置于一個(gè)微型聲學(xué)諧振腔（法布里-珀羅腔）內(nèi)，聲波在其中來(lái)回反射，不斷被放大。當(dāng)直流偏壓超過(guò)36 V的閾值時(shí)，增益最終克服了腔內(nèi)所有損耗，器件便從“放大器"躍變?yōu)椤凹す馄?，產(chǎn)生自持、高強(qiáng)度、高相干的聲波振蕩。

實(shí)驗(yàn)成果令人振奮，這款聲子激光器芯片僅0.138 mm2，比一粒鹽還小。在1 GHz的工作頻率下，它輸出了高達(dá)-6.1 dBm的連續(xù)聲功率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了＜77 Hz的極窄線寬和較低的相位噪聲。這標(biāo)志著芯片級(jí)聲源在性能和集成度上達(dá)到了全新高度。更引人注目的是其發(fā)展?jié)摿?，通過(guò)詳細(xì)建模，研究人員發(fā)現(xiàn)了提升器件性能方法，包括實(shí)現(xiàn)毫赫茲線寬、更高的功率效率，以及在10 GHz頻率下將面積縮小到550 μm2。

圖2 聲子激光器的性能表征。（a）輸出功率隨偏置變化，顯示明確閾值。;（b）達(dá)到閾值時(shí)，譜線寬度從MHz急劇壓縮至Hz量級(jí)；（c）在1 GHz下測(cè)得77 Hz線寬和-6.1 dBm的輸出功率

傳統(tǒng)的SAW器件受限于IDT設(shè)計(jì)，頻率通常難以超越4 GHz。而這項(xiàng)新技術(shù)通過(guò)擺脫IDT瓶頸，結(jié)合新型波導(dǎo)諧振腔設(shè)計(jì)，理論模型顯示其可將工作頻率輕松推至10 GHz以上，甚至有望觸及數(shù)十GHz的頻譜。

這項(xiàng)突破的影響力遠(yuǎn)不止于一個(gè)更優(yōu)秀的聲源，它象征著構(gòu)建在聲學(xué)域內(nèi)處理信號(hào)的芯片系統(tǒng)成為可能。Matt Eichenfield教授表示，SAW器件對(duì)許多最重要的技術(shù)至關(guān)重要，它們存在于所有現(xiàn)代手機(jī)、遙控鑰匙、大多數(shù)GPS接收器和許多雷達(dá)系統(tǒng)中。當(dāng)前，濾波器、低噪聲放大器、本振、混頻器等多個(gè)芯片中的射頻前端使用了不同技術(shù)，通過(guò)復(fù)雜互連協(xié)同工作，信號(hào)需要在電和聲之間反復(fù)轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致效率損耗和體積龐大。實(shí)際案例為在手機(jī)每次通信時(shí)，手機(jī)中不同芯片都會(huì)反復(fù)將無(wú)線電波轉(zhuǎn)換為SAW信號(hào)，再轉(zhuǎn)換回來(lái)。

圖3 聲子激光器的未來(lái)應(yīng)用。（a）環(huán)形腔設(shè)計(jì)；（b）基于SAW-PL的傳感器；（c）緊湊型射頻信號(hào)處理器；（d）SAW-PLs可通過(guò)基于波導(dǎo)的諧振器生成高頻SAWs來(lái)制備。（e, f）高頻波導(dǎo)設(shè)計(jì)及性能擴(kuò)展預(yù)測(cè)

聲子激光器作為高性能、可集成的片上聲學(xué)本振，補(bǔ)上了一塊關(guān)鍵拼圖。Matt Eichenfield教授表示，“這把聲子激光是一塊還要擊倒的多米諾骨牌，現(xiàn)在我們真的可以用同樣的技術(shù)把所有無(wú)線電所需的部件都組裝在一塊芯片上了。"研究團(tuán)隊(duì)在論文中描繪，未來(lái)的射頻接收鏈路可能由聲學(xué)元件構(gòu)成。天線接收的信號(hào)被直接轉(zhuǎn)換為SAW，隨后由聲電放大器放大，再與聲子激光器產(chǎn)生的本振信號(hào)在聲電混頻器中完成下變頻，全程無(wú)需離開聲學(xué)域。這種“全聲學(xué)"芯片將極大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、縮減體積并提升能效。此外，這項(xiàng)技術(shù)的還可以應(yīng)用到其它領(lǐng)域，如量子技術(shù)、高靈敏傳感、集成聲光調(diào)制等。

當(dāng)然，目前演示的器件仍有優(yōu)化空間。例如采用環(huán)形諧振腔取代法布里-珀羅腔，可消除反向傳播損耗，預(yù)計(jì)能將線寬再壓縮數(shù)百倍，相位噪聲降低超過(guò)27 dB，同時(shí)大幅降低工作電壓和功耗。材料方面，探索鈮酸鋰之外的壓電平臺(tái)，或利用二維電子氣異質(zhì)結(jié)，有望在更高頻率或更低噪聲水平上取得突破。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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