用于极高频声波的非互易声电放大器

左）为本研究开发的声电异质结构示意图，由半导体层（例如砷化铟镓）、压电层（例如铌酸锂）和基板（例如硅）组成。（中）制造声波放大器装置的显微镜图像，其中图案化的半导体位于两个用于发射和检测声子的叉指换能器之间。（右）所制造的叉指换能器的扫描电子显微镜图像

近年来，世界各地的工程师团队一直在尝试开发基于压电(即，当施加机械应力时可以产生电流的材料)与传统半导体集成的声学设备。这些设备可以实现声电效应，这可能有助于提高性能并减小射频电子设备的尺寸。

桑迪亚国家实验室和亚利桑那大学的研究人员最近开发了非互易声电放大器，可在连续工作期间实现净增益和低噪声。这些放大器发表在Nature Electronics上，基于独特的三层异质结构，由半导体薄膜，压电薄膜和硅衬底组成。

“放大器是所有信息处理系统的关键组件，可以增加传输、检测和混频等非线性过程的信号大小。监督这项研究的研究员Matt Eichenfield表示。“它们基本上是所有信号处理的一个特征，无论该信号是被唱片、无线电波的轨道振动的针，还是在光纤中携带互联网的光子。我们首次展示了一种用于极高频声波的高性能放大器，每秒振动数十亿次。

“所有放大器本质上都会向原始信号添加噪声，因此工程师的关键目标是尽可能少地增加噪声，同时尽可能增加信号的功率，”该研究的第一作者Lisa Hackett说。

由Eichenfield，Hackett及其同事开发的放大器的主要优点是它们可以以高增益（即输出与输入功率的比率）连续运行，对原始信号增加的噪声非常小，并且不会消耗太多功率。

“虽然放大千兆赫兹频率的声波可能听起来很深奥，但绝对不是，”Eichenfield说。“如果你口袋里有一部5G手机，那么你口袋里就有几十个设备，可以将千兆赫兹的无线电波转换成相同频率的声波并返回。

“这是因为在这些非常高的千兆赫兹频率下，用声波处理信息有很多优点。特别是，它们的损耗非常低，如果你试图捕获非常小的信号，这一点至关重要，而且声波的波长非常小（比人类头发小数百倍），这意味着可以操纵它们的设备的尺寸也相应很小。

在众多信息处理应用中，声波的使用正变得越来越突出。例如，亚马逊网络服务最近发布了一份制造量子计算机的蓝图，该计算机使用这些声波作为其信息处理的关键组成部分。

然而，到目前为止，唯一大规模实现的射频声波信号处理应用是滤波，它本质上是根据信号的频率将信号与其他信号或噪声分开。Eichenfield和他的同事们是第一个创造出可以在这个高频范围内工作的声学放大器，并取得了卓越的性能。

Eichenfield解释说:“我们的放大器基本上可以将这些千兆赫频率声波或声子的信号功率提高1000倍，同时只将信号对噪声背景的影响降低2倍，而所有这些都是持续工作的。”“他们做的另一件事很难理解，但可能同样重要，那就是通过放大器向错误方向传输的信号比通过正确方向的信号少30万倍。

“同样，这看起来很深奥，但你真的不想让反射在你的系统中的信号反向传播，因为它们会干扰上游的所有电子设备。通常这意味着你必须在放大器前面放置一个隔离器来传递向前的信号，并衰减向后的信号，但这些放大器自己自然地做到了这一点。这种特征被称为非互易性，这是迄今为止创造的表面声波的最非互易性装置。”

目前几乎所有可用的无线系统都将无线电波信号处理为信号链中某个位置的声波。然而，处理声学信号的好处还没有完全实现。六十多年来，研究人员一直试图通过将无线设备与半导体集成在一起，通过声学信号处理来增强无线设备的性能和功能。

Eichenfield说:“无线技术使用压电材料制成的声波谐振器来过滤信号(将一个信号从宇宙中所有其他信号和噪声中分离出来)。”“这些压电滤波器是所有无线系统的主力，如果有一部5G手机，你的口袋里就有几十个。

“然而，在这些芯片中提供其他功能(如放大)的能力可以极大地提高它们的效用，因为你可以同时过滤信号，增强其功率，并在同一芯片中提供隔离器等非互反设备，减少构建整个无线处理系统所需的芯片总数。”

过去旨在开发高性能声波放大器的研究无法生产出一种能够连续工作，具有大声增益、低声噪声、低功耗和低耗散，并在许多应用所需的千兆赫频率下工作的设备。

为了实现这一目标，Eichenfield和他的同事们结合了现代材料生长、集成和微加工技术。这些技术使他们能够创造一个由多种薄材料组成的系统，这些薄材料结合在一起可以获得更大的增益和更低的噪声，在散热的同时防止设备过热。

Eichenfield说:“这项工作建立在20世纪70年代 开始的大量工作的基础上，这些工作在创造一个技术上有用的设备方面从未真正成功过，我们自己的团队在过去五年左右的工作。”“这些挑战包括如何将非常薄、本质上完美的半导体材料集成到声波所需的压电材料表面，弄清楚如何将这些材料集成到大量具有高导热性的材料上，这样它就可以在散热的同时不降低对性能重要的其他特性，然后只是简单地弄清楚如何设计高性能放大器。”

在他们最近的研究中，Eichenfield和他的同事们开始确定一种策略，使他们能够修改和优化他们已经研究了多年的声电异质结构。最终，他们希望这能使他们的设备在输入处持续放大声波，而不是需要定期关闭它来让热量消散。

Hackett说:“在过去的演示中，我们循环使用电源来展示设备放大声波的潜力，但无法在不损坏设备的情况下持续这样做。”“与一直开着的放大器相比，不能持续开着的放大器的应用受到了极大的限制。”

“一旦我们发现我们的材料和结构改进工作得足够好，可以在连续工作时产生大的声学增益，然后我们就寻求实现千兆赫频率的工作，并评估我们可以产生多大的增益和多大的噪音。”

在最初的测试中，研究人员表明，他们的声电放大器可以连续在1 GHz的声波频率下工作，具有1000倍的增益，并为声学信号添加有限的噪声。它们还实现了30万倍的非互反传输，功耗为千分之一瓦，占地面积相当小(0.07 mm2)。

Eichenfield说:“我们的放大器还有几个独特的设计特点。“首先，我们使用了最具压电性的材料之一铌酸锂来携带声波。这一点很重要，因为材料的压电性越强，产生和探测声波的效率就越高，材料的压电性越强，材料外部的电场就越大，可以用来与电子相互作用，产生声电相互作用，使其成为放大器。”

Eichenfield和他的同事们发明的这个装置是基于一层非常薄(50纳米)的半导体砷化铟镓层，它比人类的头发还要薄2000倍。这一层承载着产生相互作用的电子，这些相互作用支撑着它的放大功能。半导体层然后被放置在铌酸锂薄膜的表面，使它们之间产生强烈的相互作用。

Eichenfield说:“我们放大器中的铌酸锂也非常薄(只有5微米)，它位于非常厚的硅层上。”“这层硅有两件事。首先，它有助于将波限制在薄的铌酸锂中，这与电子产生了更强的相互作用，防止声波能量泄漏。其次，它是一种良好的热导体，有助于消除电子沿声波方向流动所产生的热量，这就是如何产生放大(特别是当电子比声波更快时)。”

值得注意的是，该团队的放大器可以放大千兆赫频率的声波，就像最先进的微波放大器放大频率无线电波一样，同时还表现出非常高的非互反传输。在未来，它可以用于提高性能和扩大广泛的无线系统的功能。到目前为止，声波在设备中的处理主要是由专门设计的滤波器完成的，但该团队的研究可能会开辟新的令人兴奋的可能性。

Eichenfield说:“无线系统必须有很多其他设备来处理无线电波，比如放大器、振荡器、隔离器、开关和混合器(改变信号频率的设备，也可以让你从高频‘载波’中打开和关闭相对低频的信息)。”

“除了滤波器之外，所有这些组件都是由晶体管技术制成的，这意味着你需要几种不同类型的芯片来制造整个射频信号处理器，至少一种芯片基于压电声波，至少一种芯片基于电子晶体管。我们在这里所做的是能够在信号链声学设备中制造所有组件，并将它们都放在一个芯片上，这将使它们更小，更小，并且可能具有更高的性能。”

虽然研究人员的研究只是朝着将所有这些组件集成在一个芯片上迈出了一步，但它是一个非常有前景的里程碑。最终，他们的努力可以使无线系统集成到更小的设备中，同时也大大提高了它们的信号处理能力。

在他们的下一步工作中，Eichenfield, Hackett和同事们计划在声学领域开发一些其他关键的无线信号处理组件，比如混频器。他们还在探索声波处理的潜力，以开发高性能量子计算机和量子网络系统。他们的声波放大器可能特别有用，可以让这些技术放大并直接读出以声波形式携带的信号。

Eichenfield补充说:“我们正在探索的另一个方向是将这些相同的效果与光结合起来。”“我们在最近的一篇不同的论文中表明，如果你能做我们在这项工作中所做的同样的事情，但在对光透明的材料中，你可以极大地提高许多非常重要的芯片上光子设备的性能，这样光子就可以像声子一样通过相同的设备;事实证明，在处理大多数互联网信号(200太赫兹)的光频率下，使所有材料透明并不是很多工作。事实上，只要在铟砷化镓中加入一些磷就可以了。”