【资讯】首款全固态SAW声子激光器，实现单芯片自驱动！

从手机信号到量子芯片，现代无线设备越来越依赖一种“隐形”的波——表面声波（SAW）；但产生这种微观振动的装置始终被困于“多芯片、高功耗、低集成”的传统架构中，成为了系统集成路上最大的绊脚石。近日，一项突破性研究改变了这一局面！

科罗拉多大学联合亚利桑那大学和桑迪亚国家实验室联合研制出全球首款全固态、单芯片、电注入式SAW声子激光器；这项研究不仅将声波产生装置集成于单一芯片，更无需外部复杂射频源驱动，为未来无线通信、传感与计算系统的小型化与高效化奠定基础。该研究成果以“An electrically injected solid-state surface acoustic wave phonon laser”为题发表于Nature。

声子激光器的工作原理类似标准二极管激光器，只是前者产生的是振动而非光束。目前，主流的SAW产生方式依赖于一种叫做叉指换能器（IDT）的部件，它将电信号转换为声波。这就像是为声音建造一座复杂的“转换站”，这种“转换站”架构存在固有局限：当频率提高到数十 GHz时，所需的电极薄到难以制造，并会引入大量损耗。更重要的是，整个系统通常需要独立的射频源芯片和SAW芯片协同工作。这额外增加的体积、重量和功耗，与日益迫切的集成化需求背道而驰。

许多基于SAW的前沿应用，其功能本与声波的产生机制无关，但当它们被迫依赖外部IDT源时，这一架构的所有限制就会暴露。虽然有许多方法可以产生SAW，但大多数方法都需要两块不同的芯片和电源来产生声波；因此，寻找一种更直接、更集成的SAW产生方式，已成为领域内迫在眉睫的挑战。

面对传统路径的瓶颈，研究团队将目光投向了另一个已彻底改变世界的领域——光学激光器。该论文的通讯作者、亚利桑那大学的Matt Eichenfield教授表示，“二极管激光器是大多数光学技术的基石，因为它们只需电池或简单的电压源即可工作，不需要像以往激光器那样需要更多光线来产生激光，而我们想做一种类似的激光器，但是用于SAWs。”

图1 新型声子激光器核心原理。（a）器件结构；（b）直流偏置使电子动量分布偏移，实现向前传播声子的“粒子数反转”；（c）理论增益曲线随漂移场的变化;（d, e）芯片的显微图像

这一构想的核心在于声电效应：在某些材料中，声波与电子可以发生能量交换。研究团队通过异质集成技术，将一层仅50 nm厚的高迁移率铟镓砷（InGaAs）半导体薄膜与一层高性能压电材料铌酸锂（LN）结合。LN作为压电材料，振动时会产生振荡电场；相应地，当器件中存在振荡电场时，会产生振动，器件的InGaAs层的电子在受到电场冲击时被加速。这就可以创造一种非平衡状态：对于向前传播的声波，处于高能态的电子更多，从而能够通过受激发射将能量馈送给声波，使其增强；而对于反向传播的声波，电子则更多地表现为吸收其能量。论文第一作者Alexander Wendt表示，“它倒退时几乎会损失99%的功率，为了实现净增益，我们设计它在前进时获得相当大的增益以克服这个差距。”

因此，研究团队将整个增益结构置于一个微型声学谐振腔（法布里-珀罗腔）内，声波在其中来回反射，不断被放大。当直流偏压超过36 V的阈值时，增益最终克服了腔内所有损耗，器件便从“放大器”跃变为“激光器”，产生自持、高强度、高相干的声波振荡。

实验成果令人振奋，这款声子激光器芯片仅0.138 mm2，比一粒盐还小。在1 GHz的工作频率下，它输出了高达-6.1 dBm的连续声功率，同时实现了＜77 Hz的极窄线宽和较低的相位噪声。这标志着芯片级声源在性能和集成度上达到了全新高度。更引人注目的是其发展潜力，通过详细建模，研究人员发现了提升器件性能方法，包括实现毫赫兹线宽、更高的功率效率，以及在10 GHz频率下将面积缩小到550 μm2。

图2 声子激光器的性能表征。（a）输出功率随偏置变化，显示明确阈值。;（b）达到阈值时，谱线宽度从MHz急剧压缩至Hz量级；（c）在1 GHz下测得77 Hz线宽和-6.1 dBm的输出功率

传统的SAW器件受限于IDT设计，频率通常难以超越4 GHz。而这项新技术通过摆脱IDT瓶颈，结合新型波导谐振腔设计，理论模型显示其可将工作频率轻松推至10 GHz以上，甚至有望触及数十GHz的频谱。

这项突破的影响力远不止于一个更优秀的声源，它象征着构建完全在声学域内处理信号的芯片系统成为可能。Matt Eichenfield教授表示，SAW器件对许多最重要的技术至关重要，它们存在于所有现代手机、遥控钥匙、大多数GPS接收器和许多雷达系统中。当前，滤波器、低噪声放大器、本振、混频器等多个芯片中的射频前端使用了不同技术，通过复杂互连协同工作，信号需要在电和声之间反复转换，导致效率损耗和体积庞大。实际案例为在手机每次通信时，手机中不同芯片都会反复将无线电波转换为SAW信号，再转换回来。

图3 声子激光器的未来应用。（a）环形腔设计；（b）基于SAW-PL的传感器；（c）紧凑型射频信号处理器；（d）SAW-PLs可通过基于波导的谐振器生成高频SAWs来制备。（e, f）高频波导设计及性能扩展预测

声子激光器作为高性能、可集成的片上声学本振，补上了最后一块关键拼图。Matt Eichenfield教授表示，“这把声子激光是最后一块还要击倒的多米诺骨牌，现在我们真的可以用同样的技术把所有无线电所需的部件都组装在一块芯片上了。”研究团队在论文中描绘，未来的射频接收链路可能完全由声学元件构成。天线接收的信号被直接转换为SAW，随后由声电放大器放大，再与声子激光器产生的本振信号在声电混频器中完成下变频，全程无需离开声学域。这种“全声学”芯片将极大简化设计、缩减体积并提升能效。此外，这项技术的还可以应用到其它尖端领域，如量子技术、高灵敏传感、集成声光调制等。

当然，目前演示的器件仍有优化空间。例如采用环形谐振腔取代法布里-珀罗腔，可消除反向传播损耗，预计能将线宽再压缩数百倍，相位噪声降低超过27 dB，同时大幅降低工作电压和功耗。材料方面，探索铌酸锂之外的压电平台，或利用二维电子气异质结，有望在更高频率或更低噪声水平上取得突破。

参考文献： 中国光学期刊网

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