哈佛大学研究人员在芯片上控制和调制声波

许多现有设备依赖于通过固体材料的声波，包括无线通信系统、微波滤波器、振荡器和传感器。虽然声波比类似频率的电磁波慢，但这些波有几个优点。

最值得注意的是，声波可以很容易地包含在纳米级结构中。它们通常不会相互干扰，也不会与它们所处的系统相互作用。因此，研究人员认为声波在经典和量子计算设备中都有很好的信息载体前景。

 

声波是由机械振动产生的，而电磁波是由带电粒子加速或减速产生的。图片由Pediaa提供

 

尽管声波具有优势，但由于其无源性，很少在集成电路和量子器件中使用。物理学家和工程师一直在努力在集成电路中动态控制和调制这些波。

哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的一组研究人员最近克服了这一挑战，他们首次能够在芯片上调谐声波。他们的论文发表在《自然电子》杂志上，可能对开发动态高效的光子器件具有重要意义。

 

哈佛大学研究人员设计了一种基于铌酸锂的调制器

在他们的实验中，Shao Linbo、Marko Lončar和他们在哈佛SEAS的同事使用了一种基于铌酸锂的集成电声平台。铌酸锂是一种无色固体，具有有利的电光和压电特性。

研究人员利用这些特性创造了一种电声调制器，可以控制通过芯片波导传播的声波。具体而言，他们在X切割铌酸锂基板上形成了一个声波波导，在基板顶部沉积了一层硝酸硅膜，并在其内部形成了一条10µm的缝隙。

 

研究人员表示，他们的芯片可以控制和调制声波。图片由邵林波/哈佛大学SEAS提供

 

然后，他们还在硝酸硅层上沉积铝电极，用于向平台施加电场。通过应用这种电场，调制器原型可以控制芯片中声波的相位、振幅和频率。

 

声波的成功调制

Shao、Lončar和他们的同事使用他们基于铌酸锂的电声调制器，能够在室温和毫开尔文温度下调制通过IC的声波的相位和振幅。根据哈佛大学的说法，这一成就以前从未被报道过。

在一系列初步测试中，研究人员使用他们的平台，只需施加电场，就可以调制芯片波导中声波的相位和振幅。此外，通过调整声波和准行进电场之间的相位匹配，他们实现了系统中声波的可重构和非互易调制。

 

2020年，哈佛大学的研究人员在铌酸锂平台上创建了一种非互易表面声波设备。该平台包含耦合的声学谐振器和仅在一个方向上传输的声波（在上面的渲染中用红色球体描绘）。图片由邵林波/哈佛大学SEAS提供

 

与之前提出的建立可靠电声平台的方法相比，该研究团队创建的调制器具有许多优势。最值得注意的是，他们的设备也能在低温下工作。它在调制声波方面也非常高效，并且易于构建。这意味着它可以很容易地大规模制造。

 

迈向新一代语音设备

哈佛大学最近的这项研究可能对开发新的声学信息处理系统具有重要意义。在未来，他们创造的调制器可以用于开发各种新的、高性能的声学设备和电路。

通过采用分辨率为数十纳米的先进纳米制造技术，研究人员还可以提高调制器的工作频率，覆盖5G毫米波段。这意味着它最终可以用于创建处理5G信号的替代工具。

此外，该调制器还可以开发声学、芯片上量子网络和接口，以桥接不同的量子系统，如固态原子系统和超导量子位。在接下来的研究中，该团队计划基于调制器和互连组件（包括钻石色中心）开发更复杂、更大的声波电路。