有线声音：第三波出现在集成电路中

光纤是我们的全球神经系统，在眨眼间就能在全球传输数TB的数据。

当信息以全球光线的速度传播时，在二氧化硅和聚合物纤维内部反射的光波能量产生微小的振动，从而产生声音或声波的反馈包，称为“声子”。

这种反馈导致光去中心化，这种现象称为“布里渊散射”。

对于大多数电子和通信行业而言，这种光散射是一种麻烦，降低了信号的功率。但对于一个新兴的科学家群体而言，这一反馈过程正在适应开发新一代集成电路，这些集成电路有望彻底改变我们的5G和宽带网络，传感器，卫星通信，雷达系统，防御系统甚至射电天文学。

悉尼Nano研究所所长Ben Eggleton教授是今天发表在Nature Photonics上的一篇评测文章的合着者，他说：“毫不夸张地说，正在进行研究复兴。”

“光和声之间的这种相互作用在芯片上的应用为集成电路的第三波革命提供了机会。”

第二次世界大战后的微电子发现代表了集成电路的第一波浪潮，这导致无处不在的依赖硅芯片的电子设备，如手机。随着光学电子系统的发展，第二次浪潮发生在本世纪之交，光学电子系统已成为全球大型数据中心的支柱。

先用电然后点亮。现在第三波是声波。

Eggleton教授是世界领先的研究人员，研究如何应用这种光子 – 声子相互作用来解决实际问题。他在悉尼Nano科学中心和物理学院的研究团队已经就该主题撰写了70多篇论文。

今天，他与该领域的其他全球领导者合作，在Nature Photonics上发表了一篇评测文章，概述了科学家称之为“布里渊综合光子学”的历史和潜力。他的合着者是悉尼科技大学的Christopher Poulton教授;耶鲁大学Peter Rakich教授;麦考瑞大学Michael Steel教授;和伊利诺伊大学厄巴纳 – 香槟分校的Gaurav Bahl教授。

巴尔教授说：“本文概述了从光与声之间的基本相互作用中产生的丰富物理学，这种相互作用存在于所有物质状态中。

“我们不仅看到了巨大的技术应用，而且还有丰富的纯科学研究成果。布里渊光散射有助于我们测量材料特性，改变光线和声音在材料中的移动方式，冷却小物体，测量空间，时间和惯性，甚至传输光学信息。“

波尔顿教授说：“这里的重大进步是在很小的尺度上同时控制光和声波。

“这种类型的控制是非常困难的，尤其是因为两种类型的波速具有极其不同的速度。本文中概述的制造和理论的巨大进步表明这个问题可以解决，并且光和声之间的强大相互作用如此由于布里渊散射现在可以在一个芯片上使用，这为连接光学和电子设备的大量应用打开了大门。“

Steel教授说：“集成布里渊技术的一个吸引人的方面是它涵盖了从量子级声光交互的基本发现到非常实用的设备，如移动通信中的灵活滤波器。”

1922年，法国物理学家莱昂·布里渊（Leon Brillouin）预测了与声学声子相互作用引起的光散射。

背景信息

在20世纪60年代和70年代，人们发现了一个有趣的过程，你可以在光子（光）和声子（声音）之间创建一个增强的反馈回路。这被称为受激布里渊散射（SBS）。

在这个SBS过程中，光和声波是“耦合的”，这一过程通过光和声的波长相似这一事实而得到增强，尽管它们的速度相差很多个数量级：光的传播速度比声音快10万倍，这就解释了你听到雷声之前为什么会看到闪电。

但是你为什么要增加这种布里渊反馈效应的力量呢？

“管理微芯片上的信息会占用大量电力并产生大量热量，”Eggleton教授说。

“随着我们对光学数据的依赖性增加，光与微电子系统相互作用的过程已经成为问题.SBS工艺为我们提供了一种全新的方法，将光学信息整合到芯片环境中，使用声波作为缓冲器来减缓没有电子系统产生的热量的数据。

“此外，使用SBS的集成电路提供了更换飞行和导航系统中可能重100或1000倍的组件的机会。这不会是一个微不足道的成就。”

降低复杂性

如何控制光声相互作用的过程一直是关键所在，但正如Eggleton教授及其同事今天在“自然光子学”中指出的那样，过去十年取得了巨大的进步。

2017年，悉尼大学Eggleton集团的研究人员Birgit Stiller和Moritz Merklein博士宣布，世界上首次将光转换为芯片上的声学信息。为了强调光速和声音之间的差异，这被描述为“在闪电中存储闪电”。

Amol Choudhary博士在2018年进一步开发了这项工作，开发了一种基于芯片的信息恢复技术，消除了对庞大的处理系统的需求。

“这一切都是为了降低这些系统的复杂性，因此我们可以为完整的集成系统开发一个通用的概念框架，”Eggleton教授说。

工业和政府越来越关注这些系统的部署。

悉尼Nano最近与澳大利亚皇家空军签署了合作伙伴关系，与其计​​划杰里科计划合作，彻底改变澳大利亚皇家空军的传感能力。洛克希德马丁公司和哈里斯公司等公司也在与Eggleton集团合作。

前面的挑战

Eggleton教授说，在这种芯片级集成系统可以在商业上部署之前，有一些障碍需要克服，但在尺寸，重量和功率（SWAP）方面的回报将是值得的。

第一个挑战是开发一种将微波和射频处理器与光声相互作用集成在一起的架构。正如Eggleton Group的结果显示，实现这一目标已经取得了很大进展。

另一个挑战是降低系统中由于不需要的光散射而导致的“噪声”（或干扰），从而降低信噪比。一个建议是芯片在低温绝对零度附近工作。虽然这会产生重大的实际意义，但它也可以发挥量子过程的作用，从而更好地控制光子 – 声子相互作用。

此外，还对用于构建这些集成系统的最合适材料进行了现场调查。硅具有明显的吸引力，因为大多数微电子产品都是使用这种廉价，丰富的材料制造的。

然而，当与硅衬底耦合时在光纤中使用的二氧化硅意味着在给定材料的相似性的情况下信息可能泄漏。

寻找具有弹性和非弹性以足以容纳光和声波同时允许它们相互作用的材料是一种建议的途径。一些研究小组使用硫属化物，一种具有高折射率和低刚度的软玻璃基板，可以限制光学和弹性波。

该评测的共同作者，来自麦考瑞大学的钢铁教授说：“在这个阶段，所有材料系统都有其优点和缺点，这仍然是一个富有成效的研究领域。

Eggleton教授说：“这种利用光波和声波进行信号处理的新范例为基础研究和技术进步开辟了新的机会。”

声明：Eggleton教授承认澳大利亚研究理事会联合拨款（LP170100112）与哈里斯公司和美国海军研究办公室的支持。 Stell教授与Eggleton教授和Poulton教授承认对ARC Discovery项目DP160101691的支持。 Bahl教授承认美国海军研究办公室和美国国家科学基金会的支持。

故事来源：

物料 由…提供 悉尼大学。注意：可以根据样式和长度编辑内容。