近年来，世界各地的工程师团队一直在尝试开发基于与传统半导体集成的压电材料(即，当施加机械应力时可以发电的材料)的声学设备。这些设备可以实现声电效应，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，可在连续运行期间实现净增益和低噪声。NatureElectronics中介绍的这些放大器基于独特的三层异质结构，由半导体薄膜、压电薄膜和硅基板组成。
“放大器是所有信息处理系统的关键组件，它们可以提高传输、检测和混合等非线性过程的信号大小。”监督这项研究的研究员MattEichenfield告诉TechXplore。“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轨迹振动的针、无线电波，还是通过光纤传输互联网的光子。我们第一次展示了高-非常高频声波的性能放大器，每秒振动数十亿次。”
该研究的第一作者丽莎·哈克特(LisaHackett)表示：“所有放大器都会固有地向原始信号添加噪声，因此工程师的主要目标是在尽可能增加信号功率的同时添加尽可能少的噪声。”
由Eichenfield、Hackett及其同事开发的放大器的主要优势在于它们可以以高增益(即输出与输入功率之比)连续运行，对原始信号添加的噪声极少，并且不会消耗太多功率。
“虽然放大千兆赫兹频率的声波听起来很深奥，但它绝对不是，”Eichenfield说。“如果你的口袋里有一部5G手机，那么你的口袋里就有几十台设备可以将千兆赫无线电波转换为相同频率的声波，然后再返回。
“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势。特别是，它们的损耗非常低，如果你试图捕捉非常小的信号，这一点至关重要，而波长声波非常小(比人的头发小数百倍)，这意味着可以操纵它们的设备的尺寸也相应地小。”
声波的使用在众多信息处理应用中变得越来越突出。例如，AmazonWebServices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类型是滤波，它基本上根据频率将信号与其他信号或噪声分开。Eichenfield和他的同事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的人，并取得了非凡的性能。
“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1,000倍，同时仅将信号降级为噪声背景的2倍，同时保持持续，”Eichenfield解释说。“他们做的另一件事更难理解但可能同样重要，那就是通过放大器以错误方向传输的信号比以正确方式传输的信号少300,000倍。
“再一次，这看起来很深奥，但你真的不希望在你的系统中反射的信号向后传播，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前面放置一个称为隔离器的设备一个放大器传递前进的信号并衰减后退的信号，但这些放大器本身自然地做到这一点。这种特性称为非互易性，这是有史以来产生的表面声波的非互易性最强的装置。
当今可用的几乎所有无线系统都将无线电波信号作为信号链中某处的声波进行处理。然而，处理声学信号的好处尚未完全实现。六十多年来，研究人员一直试图通过将声学信号处理与半导体集成来增强无线设备的性能和功能。
“无线技术使用由压电材料制成的声波谐振器来过滤信号(将一个信号与宇宙中所有其他信号和噪声分开)，”Eichenfield说。“这些压电滤波器是所有无线系统中的主力军，如果里面有一部5G手机，你的口袋里就有几十个。
“但是，如果能够提供放大等其他功能，则可以大大提高它们的效用，因为您可以同时过滤信号、提高其功率，并在同一芯片中提供隔离器等非互易设备，从而减少所需的芯片总数制作一个完整的无线处理系统。”
过去旨在开发高性能声波放大器的研究无法生产出能够以大声增益、低声学噪声、低功耗和耗散连续运行以及在许多应用所需的千兆赫频率下运行的设备。
为实现这一目标，Eichenfield和他的同事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建一个由多种薄材料制成的系统，这些材料结合起来可以获得更大的增益和更低的噪声，同时散发它产生的热量以防止设备过热。
“这项工作建立在从1970年代开始的大量工作的基础上，这些工作在创造技术上有用的设备方面从未真正成功，以及我们自己的团队在过去五年左右的工作，”Eichenfield说。“这些挑战包括弄清楚如何将非常薄、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放在大量具有高导热性的材料上，以便它可以在不降低对性能重要的其他功能的情况下散热，然后简单地弄清楚如何实际设计放大器以实现高性能。”
在他们最近的研究中，Eichenfield和他的同事着手确定一种策略，使他们能够修改和优化他们已经研究多年的声电异质结构。最终，他们希望这将使他们的设备能够在输入端持续放大声波，而不是需要定期将其关闭以让热量消散。
“在过去的演示中，我们循环供电以展示设备放大声波的潜力，但不能在不损坏设备的情况下连续这样做，”哈克特说。“与一直开启的放大器相比，不能持续开启的放大器的应用受到很大限制。”
“一旦我们发现我们的材料和结构修改效果很好，可以在连续运行的同时产生较大的声学增益，我们就会寻求实现千兆赫频率运行，并评估我们可以产生多少增益和多少噪音。”
在最初的测试中，研究人员表明，他们的声电放大器可以在1GHz的声波频率下连续运行，增益为1,000倍，并向声信号中添加有限量的噪声。它们还实现了300,000倍的单向传输、千分之一瓦的功耗和相当小的占地面积(0.07mm2)。
“我们的放大器还有几个独特的设计特点，”Eichenfield说。“首先，我们使用压电性最强的材料之一铌酸锂来承载声波。这很重要，因为材料的压电性越强，产生和检测声波的效率就越高，而压电性越大的材料越大材料外部的电场可用于与电子相互作用并产生使其成为放大器的声电相互作用。”
Eichenfield和他的同事创建的设备基于非常薄(50纳米)的半导体铟镓砷化物层，比人类头发丝薄2,000倍。该层容纳产生相互作用的电子，支持其放大功能。然后将半导体层放置在铌酸锂薄膜的表面上，使它们之间产生强烈的相互作用。
“我们放大器中的铌酸锂也非常薄(只有5微米)，而且它位于非常厚的硅层上，”Eichenfield说。“这层硅做了两件事。首先，它有助于限制薄铌酸锂中的波，从而与电子产生更强的相互作用并防止声能泄漏，其次，它是一种良好的热导体，帮助消除通过使电子沿声波方向流动而产生的热量，这就是你产生放大的方式(特别是当电子比声波快时)。”
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单向传输。将来，它可用于提高性能并扩展范围广泛的无线系统的功能。到目前为止，设备中的声波处理主要由专门设计的滤波器执行，但该团队的研究可能会开启新的令人兴奋的可能性。
“无线系统必须有许多其他设备来处理无线电波，例如放大器、振荡器、隔离器、开关和混频器(改变信号频率的设备，还允许您以相对较低的速度穿脱-来自高频‘载波’的频率信息)，”Eichenfield说。
“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，至少一种基于压电声波的芯片和至少一种基于电子晶体管的芯片。我们在这里所做的是取得进展，能够制造信号链声学设备中的所有组件，并将它们全部集成在一个芯片上，这将使它们变得更小、性能可能更高。”
虽然研究人员的研究只是将所有这些组件集成到单个芯片中的一步，但它是一个非常有希望的里程碑。最终，他们的努力可以将无线系统集成到更小的设备中，同时还可以显着提高其信号处理能力。
在接下来的工作中，Eichenfield、Hackett及其同事计划开发声学领域的一些其他关键无线信号处理组件，例如混频器。他们还在探索声波处理在开发高性能量子计算机和量子网络系统方面的潜力。他们的声波放大器对于允许这些技术放大和直接读出作为声波携带的信号特别有用。
“我们正在探索的另一个方向需要将这些相同的效果与光结合起来，”Eichenfield补充道。“我们在最近的另一篇论文中表明，如果你能做与我们在这项工作中所做的相同的事情，但在对材料透明的材料中，你可以大大提高许多非常重要的片上光子器件的性能。光，以便光子可以通过与声子相同的设备;事实证明，要使所有材料在用于处理大多数互联网信号的光频率(~200THz)下透明，确实不需要做很多工作。事实上，只需在砷化铟镓中简单地添加一些磷就可以达到目的。”