Pietsosähköakustiikalla kevyempää RF-tekniikkaa

Pietsosähköiset akustiset laitteet, jotka on integroitu puolijohteisiin, voivat hyödyntää akustosähköistä vaikutusta, mikä mahdollistaa toimintojen, kuten vahvistuksen ja isoloinnin saavuttamisen akustisella alueella. Tämä voi johtaa radiotaajuisten elektronisten järjestelmien suorituskyvyn parantamiseen ja pienentämiseen.

Sandia National Laboratoriesin ja Arizonan yliopiston tutkijat ovat äskettäin kehittäneet ei-vastavuoroisia akustosähköisiä vahvistimia, jotka saavuttavat nettovahvistuksen ja alhaisen kohinan jatkuvan käytön aikana.

Nämä Nature Electronicsissa esitellyt vahvistimet perustuvat kolmikerroksiseen heterorakenteeseen, joka koostuu puolijohdekalvosta, pietsosähköisestä kalvosta ja piisubstraatista.

Matt Eichenfieldin, Lisa Hackettin ja kollegoiden kehittämien vahvistimien tärkein etu on, että ne voivat toimia jatkuvasti suurella vahvistuksella, mikä lisää hyvin vähän kohinaa alkuperäiseen signaaliin ja kuluttamatta liikaa tehoa.

Työssä hyödynnettävien etenevien fononien ja elektronien akustosähköiset vuorovaikutukset johtavat radiotaajuisten (RF) akustisten aaltojen ei-vastavuoroiseen vahvistumiseen. Tämä mahdollistaa radioiden suodattimina tällä hetkellä käytettävien pietsosähköisten akustisten aaltolaitteiden käytön myös vahvistimina ja samalla sirulla voidaan saavuttaa tärkeitä toimintoja, kuten isolointia ja kiertotoimintoja. Näin voidaan RF-järjestelmien suorituskykyä ja pienentää niitä.

Tutkijoiden vahvistimet perustuvat kolmikerroksiseen heterorakenteeseen, joka koostuu indiumgalliumarsenidin (In0.53Ga0.47As) puolijohtavasta kalvosta, litiumniobaattin (LiNbO3) pietsosähköisestä kalvosta ja piisubstraatista. Heterorakenne voi jatkuvasti tuottaa 28,0 dB akustista vahvistusta (4,0 dB nettoradiotaajuusvahvistus) 1 GHz:n fononeille, joiden akustinen kohina on 2,8 dB.

Tutkijoiden esittelemään ei-resiprookiseen suuntavahvistimeen perustuen tutkimustyö voisi johtaa uusiin lähestymistapoihin ei-hermeettiseen fononiikkaan, kuten akustiseen aallon isolointiin ja reititykseen, pienikokoisissa ja jatkuvasti toimivissa laitteissa mikroaaltotaajuuksilla alhaisella kohinalla.

Pietsosähköiset akustiset aaltorakenteet mahdollistavat myös kytkennän sähköisten piirien ja optomekaanisten laitteiden välillä. Heterorakenteista lähestymistapaa käyttävä akustosähköinen vaikutus voisi näin ollen mahdollistaa viritettävän akustisen häviön tai vahvistuksen ja viritettävän ei-vastavuoroisuuden hybridisähköisissä ja pietso-optomekaanisissa piireissä.

Akustosähköistä vaikutusta on ehdotettu myös suoraan uusille kvantti-informaation käsittelyarkkitehtuureille, joissa käytetään pietsosähköisiä puolijohteita. Tutkijoiden kokeelliset demonstraatiot ovat osoittaneet mahdollisen edun lisätoimintojen toteuttamisesta akustisella alueella sekä klassiseen että kvanttitietojen käsittelyyn.

Edelleen resonaattoreissa on myös mahdollista saavuttaa edestakainen nettovahvistus materiaalialustan avulla, mikä voi johtaa sirulla oleviin taajuusselektiivisiin resonanssivahvistimiin ja oskillaattoreihin, esittävät tutkijat tulevaisuuden näkemyksiä tutkimuspaperissaan.

Tutkimusartikkeli: Non-reciprocal acoustoelectric microwave amplifiers with net gain and low noise in continuous operation

Aiheesta aiemmin:

Pietsosähköä halliten ja tehostaen

Radiotaajuisen signaalin prosessointi akustiseksi

Mekaanista kvanttitekniikkaa