“压电光机回路”实现光波、声波和无线电波相     DATE: 2020-05-25 04:37

“压电光机回路”实现光波、声波和无线电波相互转换

2016-04-08 14:45 kumsing 关注

  任职于国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员已经开发出一种将信号在光波,声波和无线电波之间转换的“压电光机回路”。基于此设计的系统可以在下一代计算机中移动和存储信息。

  摩尔定律——一个认为集成电路的晶体管数量将每两年翻一番的理论——已经被证明是非常符合实际情况的,因此工程师们将很快会开始遭遇根本上的极限。随着晶体管的减小,热以及其他因素将开始在电路中产生放大的效应。因此,研究人员正在越来越多地考虑那些在其中电子元件与其他携带信息的物理系统例如光和声音进行连接的设计。如果研究人员可以开发出将信号从一种类型转换到另一种类型(转导)的有效的方式,连接这些不同类型的物理系统将可以绕过一些发生在那些只依赖于一种类型的信息载体的组件上的问题。

  例如,光能够携带大量的信息,并且通常不会与它的环境非常强烈地相互作用,所以它不像电流一样加热元件。然而,虽然光很有用,但它不适合所有的情况。光线很难被长时间储存,它也不能直接与回路中的一些组件进行交互。另一方面,声学器件已经被用在了无线通信技术中,在那里声音更容易在紧凑的结构中长时间存储,因为它移动的速度要慢得多。

声波导将声子引导进光机械腔内,使得该团队能够直接操纵悬浮纳米梁的运动

  为了满足这些需求,NIST的研究人员和他们的合作者在一个芯片上制造了一个压电光机回路。这个回路的核心是一个光学机械腔体,在他们的方案中这是由一个悬浮的纳米梁构成。在梁内有一系列的小孔,其对光线(光子)来说就像一个装满反射镜的大厅。具有非常特殊的颜色或频率的光子在泄露出去之前会在这些镜子之间来回反射几千次。与此同时,该纳米梁限制频率为每秒几十亿周期(GHz)的声子,即机械振动。这些光子和声子在腔内交换能量,从而使梁的振动影响腔内光子的积累,而腔内光子的积累会影响机械振动的大小。这种相互作用或耦合的强度是目前报道的光机系统中最大的一个。

  研究者的主要创新之一来自于将这个腔与声学波导连接起来,声学波导是将声波引导到特定位置的器件。通过声学波导将声子引导进光机器件内,该团队能够直接操纵悬浮纳米梁的运动。由于能量交换,声子可以改变被困在器件中的光的特性。为了产生这些GHz频率(远高于可听见的声音的频率,即使是你的狗也听不到它们)的声波,他们使用了压电材料——在这种材料中,当一个电压被施加在它上面时它会随之变形,反之亦然。通过使用一种增强这种压电效应的被称为“叉指换能器(IDT)”的结构,该团队能够建立起无线电频率的电磁波与声波之间的联系。这种强大的光机联系使他们能够对这个被限制住的相干声波能量在一个声子的一部分的水平上进行光检测。