美國桑迪亞國家實驗室研發的新型聲電芯片，包含射頻放大器、環行器和濾波器

據麥姆斯咨詢報道，美國桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）的科學家們開發了一款全球最小、性能最好的聲學射頻放大器，并且，這款器件利用了被遺忘近50年的老概念。

該研究成果已發表于Nature Communications，新款器件的效率達到了過去早期版本的10多倍，為未來小型化無線技術的設計和研究方向打開了大門。

現代手機利用無線電技術來接打電話、收發訊息和高速傳輸數據。這些智能設備覆蓋的頻率越多，它們能做的事情就越多。放大器等大多數無線電組件都是電子元器件，它們還可以被制成更小、更好的聲學器件。這意味著它們將利用聲波而不是電子來處理無線電信號。

桑迪亞實驗室的科學家Lisa Hackett說：“由于這些頻率下的聲波波長很小，比人類頭發的直徑還小得多，因而這種聲學器件的尺寸可以非常緊湊。”不過到目前為止，這類無線電組件很多還無法用聲學技術來實現。

桑迪亞實驗室開發的這款276 MHz聲學射頻放大器尺寸僅為0.5平方毫米，展示了無線電組件利用聲學技術縮小尺寸的巨大潛力。為了應對承載大部分現代手機流量的2 GHz頻率，這種聲學器件的尺寸可以變得更加小巧，僅約為0.02平方毫米，這個尺寸甚至能很容易植入一粒食鹽，比目前最先進技術制作的器件還要小10多倍。

（a）有限元模型中的縱向電場（Ex），位移場用黑色箭頭表示；（b）在LiNbO3襯底上構建In0.53Ga0.47As薄膜聲電效應的示意圖；（c）異質結構晶圓加工后的圖像；（d）無源和有源聲學器件的偽色SEM圖像，包括（e）延遲線、（f）放大器、（g）環行器。

該團隊還構建了第一款聲學環行器，這是用于分離發射和接收信號的另一個重要無線電組件。桑迪亞實驗室的科學家Matt Eichenfield表示：“這些微型聲學器件共同實現了一個極具前景的研究方向，可以使所有通過無線電波發送和接收信息的通訊產品變得更小、更復雜。

Eichenfield補充說：“我們的研究成果首次證明了用聲學技術實現通常需要電子學技術完成的功能是可行的。”

事實上，早在數十年前，科學家們就曾嘗試制造聲學射頻放大器，不過，關于這些研究的最近的重要文獻還要追溯到20世紀70年代。

沒有現代納米制造技術，當時開發的器件性能太差而無法應用。利用當時開發的器件將信號放大100倍需要1厘米的空間和2000 V的電壓。此外，它們還會產生大量的熱量，需要超過500 mW的功率。

而桑迪亞實驗室開發的這款聲學放大器的性能在某些方面超過70年代版本的10倍以上。并且可以在0.2毫米的空間內將信號強度提高100倍，且僅需36 V的電壓和20 mW的功率。

以前的研究人員試圖通過使用半導體材料層來增強聲學器件，而這些器件本身無法放大。為了使他們的概念成功運行，添加的材料必須非常薄并且質量非常高，但是，憑借當時的技術，科學家們無法兼顧。

幾十年之后，桑迪亞實驗室開發了兩種技術，通過添加一系列薄層半導體材料來改善光伏電池。領導這項工作的科學家碰巧與Eichenfield共用一個辦公室。

“上述技術進展，我在辦公室里一直有耳聞。”Eichenfield說，“后來我閱讀這些論文是出于對這種聲電放大器的好奇，了解了他們的研究成果后，我意識到桑迪亞同事們開發的這種將非常薄的半導體轉移到其他材料上的技術，正是我們要使這些聲電器件實現所有性能需要的技術。”

桑迪亞實驗室用83層原子厚的半導體材料制造了這款放大器，這比人類的的頭發絲還要薄1000倍。

將超薄半導體層融合到不同的聲學器件上需要非常復雜的過程，即在其他晶體上生長晶體，并將它們與其他晶體鍵合，然后用化學方法去除99.99%的材料，以獲得一個完美光滑的接觸表面。這樣的納米制造方法被統稱為異質集成，是桑迪亞實驗室以及整個半導體行業越來越感興趣的研究領域。

放大器、環行器和濾波器是不同的技術，通常是分開制造的，但是，桑迪亞的研究人員在同一顆聲電芯片上制造了它們。可用于在同一芯片上制造的技術越多，制造就越簡單，效率也就越高。該團隊的研究表明，剩余的其它無線電信號處理組件也可以在已經驗證的器件上進一步擴展。

這項研究由桑迪亞實驗室指導的研究發展計劃和綜合納米技術中心資助，該中心是桑迪亞和洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos national laboratories）聯合運營的制造基礎設施。

那么，這些精巧的無線電組件何時可以進入我們的智能手機？Eichenfield表示，“可能還有待時日。像智能手機這種大批量的商業產品全部轉用全聲電技術，需要對制造業基礎設施進行大規模整改，這不是一朝一夕的事情。但對于小批量生產的特種設備，這項技術有著更直接的前景。”

桑迪亞研究團隊目前正在探索是否可以改進它們的技術以用于全光信號處理。他們還在研究這種技術是否能幫助分離和操縱被稱為聲子的單個量子態，這可能使其可以在某些量子計算機中用于控制和測量。

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