声子激光“地震芯片”或可缩小收音机体积

科罗拉多大学博尔德分校及其合作机构的工程师团队近日发布了一种新型单芯片“声子激光器”，该激光器能够产生相干表面声波（SAW）。这种微观振动常被描述为“芯片上的地震”，其物理现象与当今数十亿部智能手机中用于信号滤波的原理相同。

这项突破在于利用紧凑的电注入方法，而非以往笨重或非相干的方法，相干地（如同激光一般）产生这些波。这项研究有望影响多个行业，从6G无线连接到超精密生物传感。

表面声波（SAW）的工作原理

表面声波（SAW）是沿材料表面传播的机械振动，其能量集中在大约一个波长的深度范围内。这种能量集中性使其对表面状况极其敏感，并能有效地操控信号。

在自然界中，这种现象具有破坏性——地震会产生地表波，导致地面起伏。然而，在科技领域，这种“起伏”却被用来过滤无线电频率。

大多数现代声表面波 (SAW) 设备都使用压电材料（例如铌酸锂）上的叉指换能器 (IDT) 将电信号转换为机械波，反之亦然。此过程可滤除噪声和干扰，确保您的手机始终连接到正确的网络频段。

当前表面声波技术的局限性

虽然应用广泛，但目前的声表面波器件仍面临物理限制。设计人员一直在尺寸、频率和功率损耗之间权衡取舍。

随着无线标准向更高频率（5G 和 6G）发展，传统的声表面波滤波器可能会出现损耗，或者需要复杂笨重的封装。业界一直在寻找一种方法，无需外部射频驱动源即可在芯片上直接生成更紧凑、更纯净的声波——一种用于声音的“激光器”。

突破性进展：固态声子激光器

该研究发表在 自然本文展示了一种电注入式固态声表面波声子激光器。与发射光（光子）的光学激光器不同，该器件发射相干声波振动（声子）。

该装置无需外部射频驱动，而是采用直流注入在谐振器内部建立相干振动。这类似于激光笔将简单的电池电能转化为相干光束的原理——只不过在这里，电池电能被转化为精确的、自持的声波。

单芯片异质结构

工程团队通过结合两种关键材料实现了这一目标：

• 铌酸锂（LiNbO3）：一种强压电材料，能够支持声波。
• 砷化铟镓（InGaAs）：一种半导体层，当电流通过时可提供“增益”（放大）。

当电流流过 InGaAs 层时，它会与铌酸锂表面的声波相互作用，放大声波，直到它们锁定为相干振荡。

性能和测试结果

该团队的原型机所展现出的性能指标表明，它最终可能在特定应用中与传统的射频源相媲美，甚至取代它们。

• 频率：在 1 GHz 处实现了持续振荡（蜂窝通信的关键频段）。
• 功率：片上声输出为 -6.1 dBm。
• 光谱纯度：线宽小于 77 Hz，表明信号频率极其稳定且“纯净”。

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未来应用：从传感到 6G

最直接的潜在应用领域是无线前端模块。用主动式可调谐声子激光器取代被动式声表面波滤波器，可以让智能手机的无线电模块变得更小巧、频率更灵活、能效更高。

先进传感

除了无线电波之外，这些设备还有望彻底革新传感技术。由于声波被限制在芯片表面，任何接触芯片的粒子——例如病毒或化学分子——都会干扰声波。相干“激光”光源能够使这些干扰更容易被检测到，从而有望开发出超灵敏的芯片实验室诊断工具。

声光调制

这项技术对量子计算和光网络也具有重要意义，在这些领域中，声波被用来控制光（声光效应）。紧凑的片上强声波源可以显著提高这些调制器的效率。

投资启示：射频前端

虽然这项研究目前仍处于学术阶段，但其商业路径直接通向射频前端 (RFFE) 市场——该市场由专门从事 SAW/BAW 滤波器和连接模块的公司主导。

Skyworks Solutions (SWKS)

Skyworks Solutions是滤波器技术进步的主要受益者。作为高性能模拟半导体领域的全球领导者，Skyworks专注于这款“声子激光器”旨在革新的特定组件：SAW滤波器、TC-SAW（温度补偿）滤波器和BAW（体声波）滤波器。

Skyworks的商业模式依赖于将更复杂的射频电路集成到更小的空间内，以满足苹果、三星和汽车OEM厂商等客户的需求。该公司一直以来都采用先进材料（例如钽酸锂和铌酸锂）来提升5G频段的滤波器性能。

如果“主动式”表面波发生器能够制造出来，那么像 Skyworks 这样拥有现有制造基础设施和客户关系的公司自然会成为这项技术的集成商。

Skyworks (SWKS) 最新消息

结语

“地震芯片”是声子学领域的一个里程碑，它证明了声波可以像激光一样，在微芯片上直接产生，并保持同样的相干性和精确度。虽然它不会被应用在iPhone 17中，但它预示着未来无线电技术将更加集成，传感器将更加灵敏，电子学和声学之间的界限也将进一步模糊。

请阅读科罗拉多大学博尔德分校的官方公告 此处.

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案例

1. Wendt, A., Storey, MJ, Miller, M. 等人。电注入固态表面声波声子激光器。 自然，649，597-603（2026）。 https://doi.org/10.1038/s41586-025-09950-8