【產(chǎn)通社，1月29日訊】科羅拉多大學(xué)博爾德分校（CU Boulder）與亞利桑那大學(xué)和美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作開(kāi)發(fā)出一種固態(tài)單芯片電注入新型表面聲波（SAW）聲子激光器，有望為高頻片上SAW源和無(wú)需外部射頻源的微型SAW系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

SAW是沿材料表層傳播的聲波，使從化學(xué)和生物傳感器到芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中微流控的聲學(xué)控制等多種技術(shù)成為可能。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。此外，現(xiàn)有用于制造SAW的設(shè)備會(huì)降低性能，且在高頻下工作有限。在體積、重量和功率需求有限的系統(tǒng)中，它們的用途有限。而新型聲子激光器僅使用一顆芯片，僅配合電池時(shí)，有潛力產(chǎn)生比傳統(tǒng)器件更高的電聲。

聲子激光器的工作原理類(lèi)似標(biāo)準(zhǔn)二極管激光器，只是它產(chǎn)生的是振動(dòng)而非光束。二極管激光器通過(guò)在半導(dǎo)體芯片表面的兩個(gè)微觀(guān)鏡面之間反射光束來(lái)工作。隨著光線(xiàn)來(lái)回反射，光束變得更強(qiáng)。

“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，而不需要像許多以往激光那樣需要更多光線(xiàn)來(lái)產(chǎn)生激光，”Matt Eichenfield教授說(shuō)。“我們想做一種類(lèi)似激光的激光器�！�

在閾值偏置36V以下，SAW聲子激光器表現(xiàn)得像諧振放大器。超過(guò)該閾值時(shí)，它表現(xiàn)出自有的相干振蕩、線(xiàn)寬變窄以及高輸出功率。

該器件由一個(gè)鈮酸鋰（LN）SAW諧振腔組成，內(nèi)部采用直流電注入的寬帶半導(dǎo)體增益介質(zhì)，占位面積小于0.15平方毫米。研究人員在硅（Si）晶圓上疊加了一層薄薄的LN，并加了一層薄薄的銦鎵砷化物（InGaAs）。疊層結(jié)構(gòu)允許LN表面的振動(dòng)直接與InGaAs中的電子相互作用。

由于LN是一種壓電材料，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層在受到弱電場(chǎng)沖擊時(shí)可以加速電子到非常高速。用電流泵送器件的InGaAs層，使LN層產(chǎn)生波。波向前傳播，撞擊反射器，然后向后傳播，類(lèi)似于傳統(tǒng)激光中光在兩面鏡子間來(lái)回反射。

聲波每次向前移動(dòng)都會(huì)變強(qiáng)，每次向后移動(dòng)時(shí)會(huì)變?nèi)�。�?jīng)過(guò)多次反復(fù)調(diào)整，它變得相當(dāng)大。研究員Alexander Wendt說(shuō)：“它倒退時(shí)幾乎會(huì)損失99%的功率，所以我們?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�！�

該裝置呈條狀，長(zhǎng)度約為半毫米。在演示中，SAW聲子激光器在1GHz下產(chǎn)生了高達(dá)-6.1dBm的連續(xù)片上聲學(xué)輸出功率。通過(guò)詳細(xì)建模，研究人員發(fā)現(xiàn)了提升器件性能的路徑，包括mHz線(xiàn)寬、高功耗效率，以及550平方微米（10GHz每μm2）以下的覆蓋面積。這比傳統(tǒng)SAW器件頻率更高，傳統(tǒng)SAW器件通常最高頻率約為4GHz。

SAW使射頻濾波器、光聲器件和量子聲學(xué)器件成為可能，此外還支持一系列智能設(shè)備。

Eichenfield說(shuō)：“SAW器件對(duì)世界上許多最重要的技術(shù)至關(guān)重要�！薄八鼈兂霈F(xiàn)在所有現(xiàn)代手機(jī)、鑰匙扣、車(chē)庫(kù)門(mén)遙控器、大多數(shù)GPS接收器、許多雷達(dá)系統(tǒng)等中�！�

他認(rèn)為，SAW聲子激光器將使更小、性能更優(yōu)、更節(jié)能的無(wú)線(xiàn)設(shè)備成為可能。例如，現(xiàn)有手機(jī)中的不同芯片每次用手機(jī)發(fā)送短信、打電話(huà)或上網(wǎng)時(shí)，都會(huì)反復(fù)將無(wú)線(xiàn)電波轉(zhuǎn)換為SAW信號(hào)，再轉(zhuǎn)換回來(lái)。Eichenfield團(tuán)隊(duì)旨在簡(jiǎn)化這一流程，設(shè)計(jì)能夠僅用SAW單憑一己之力處理所有這些任務(wù)的芯片。

Eichenfield說(shuō)，“聲子激光器是需要擊倒的最后一塊多米諾骨牌，我們現(xiàn)在真的可以用同樣的技術(shù)把所有無(wú)線(xiàn)電所需的部件都組裝在一塊芯片上了�！�

剪報(bào)來(lái)源：
https://www.photonics.com/Articles/SAW-Phonon-Laser-Could-Make-Wireless-Devices/p5/a71871
論文鏈接：
https://www.doi.org/10.1038/s41586-025-09950-8