一种用电驱动的固态声波激光器

表面声波（一种沿物体表面传播的声波，简称SAW）在众多技术领域有重要应用，比如射频滤波器、化学与生物传感器、声光器件、芯片实验室系统中的微流控声控以及量子声子学等。不过，目前生成表面声波的方法虽多，但都存在固有局限，影响了性能提升、高频运行以及在尺寸、重量和功率受限系统中的应用。

本研究提出了一种全固态单芯片SAW声子激光器（能产生相干声子的装置）。该器件由铌酸锂SAW谐振器（一种常用的压电材料谐振结构）构成，内部集成了直流电注入的宽带半导体增益介质，尺寸小于0.15平方毫米。当偏置电压低于36V阈值时，器件表现为谐振放大器；超过阈值后，则呈现自持续相干振荡、线宽变窄和高输出功率的特性。在1GHz频率下，该器件可产生高达-6.1dBm的连续片上声输出功率，其分辨率限制线宽小于77Hz，在1kHz频偏处的载波相位噪声为-57dBc Hz⁻¹。

通过详细建模，研究还展示了提升这类器件性能的途径，包括实现毫赫兹级线宽、高功率效率，以及在10GHz频率下将尺寸缩小到550平方微米以下。这一成果为片上超高频SAW源以及无需外部射频源即可运行的高度微型化SAW基系统开辟了道路。