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声音摇动光

压电材料可以将电压转换为机械位移,反之亦然。它们在现代无线通信网络中无处不在,比如手机。今天,压电器件,包括滤波器、换能器和振荡器,被用于数十亿的无线通信、全球定位、导航和空间应用设备中。

发表在《自然》杂志的一篇文章中,协作领导托拜厄斯教授j . Kippenberg EPFL普渡大学和苏尼尔?a . Bhave教授结合压电氮化铝(AlN)技术在现代手机的射频滤波器和ultralow-loss氮化硅(氮)集成光子学、演示片上声光调制的新方案。

这种混合电路允许在超低功率的光子波导上实现宽带驱动——这一壮举至今仍具有挑战性。电路本身是使用兼容cmos的铸造工艺制造的,这种工艺被广泛用于构建微处理器、微控制器、存储芯片和其他数字逻辑电路。

光与声

为了建造这个电路,科学家们使用了氮化硅,这种材料已经成为芯片级、基于微谐振器的光频率梳(“微梳”)的主要材料。微梳用于一系列对精度要求很高的应用,包括相干通信、天文光谱仪校准、超快测距、低噪声微波合成、光学原子钟,以及最近的并行相干激光雷达。

研究人员在超低损耗氮化硅光子电路上制作了压电式氮化铝致动器,并在其上施加电压信号。该信号通过电学方法诱发体声波,对氮化硅电路中产生的微梳进行调制。简而言之,声音摇光。

该方案的一个关键特点是它保持了氮化硅电路的超低损耗。“这一成就代表了微梳技术、集成光子学、微机电系统工程和非线性光学的一个新的里程碑,”刘俊秋说,他在EPFL的微阳极技术中心(CMi)领导硅氮化硅光子学芯片的制造。“通过利用压电和大量声光相互作用,它使芯片上的光调制具有前所未有的速度和超低功耗。”

利用这种新的混合系统,研究人员展示了两个独立的应用:第一,基于他们之前发表在《自然》杂志上的工作,对基于微梳的大规模并行相干激光雷达进行了优化。这种方法可以提供一个路径,以芯片为基础的激光雷达引擎驱动的CMOS微电子电路。

其次,他们通过对氮化硅微谐振器进行时空调制,构建了无磁光学隔离器,这一成果最近发表在《自然通讯》上。在普渡大学Birck纳米技术中心的Scifres无尘室制作压电致动器的浩天说:“大量声波的紧密垂直约束防止了串扰,并允许致动器的紧密放置,这对于p-i-n硅调制器来说是一个挑战。”

这项新技术可推动微梳在功率关键系统(例如空间、数据中心和便携式原子钟)或极端环境(例如低温环境)中的应用。基彭伯格教授说:“还没有预料到的应用程序将在多个社区中跟进。”“我们已经一次又一次地证明,混合体系能够获得比单个组分更大的优势和功能。”

“我最近读了一篇《科学美国人》的文章,很有共鸣,”巴夫教授补充道。它被称为“为什么跨国的科学更好”。没有这种多学科、跨大陆的合作,就不可能有我们的成果。”

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