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为解决大规模集成光声电路难以实现的问题，研究人员开展了基于氮化镓（GaN）在蓝宝石上的可扩展光声集成电路研究。结果实现了光声场的高效激发、灵活路由和可重构处理，意义在于为光声混合系统提供理想平台。
在现代科技领域，光与声的 “携手合作” 有着巨大潜力。从光电器件到量子领域，光子与声子的相互作用都至关重要。集成光声器件本可进一步提升性能，然而，材料的限制使得大规模集成光声电路的实现困难重重。目前，光声混合系统的发展相较于电子 - 光子混合系统还处于起步阶段，多数局限于单一基本功能的器件。在这样的背景下，来自美国得克萨斯大学奥斯汀分校钱德拉电气与计算机工程系以及亚利桑那大学怀恩特光学科学学院的研究人员，开展了一项关于可扩展光声集成电路的研究，其成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员开发了基于氮化镓（GaN）在蓝宝石上的可扩展光声集成电路平台。氮化镓的光学折射率比蓝宝石高，且其横纵声学场速度均显著低于蓝宝石，这使得无需悬浮结构就能在亚波长尺度同时限制光场和声场。为展示该平台的可扩展性，研究人员制造了大规模光声集成电路，集成了多种光学和声学区的功能模块。
在研究方法上，主要采用了电子束光刻和等离子体干法刻蚀技术来制作器件结构，如对 0.95 - μm - GaN 晶圆进行图案化；利用电子束光刻、沉积金属层和丙酮剥离等工艺制作叉指换能器（IDTs）和加热器；通过可调谐激光器进行光学传输测量来表征光学环形滤波器，采用混合测量方案检测声学环形滤波器，即射频信号驱动声学场，连续波探测激光经声光调制后由光电探测器检测。
研究结果方面：首先是光声集成电路的设计与原理，通过叉指换能器将射频信号转换为声场，聚焦到亚波长波导中，利用声学环形谐振器分离不同射频频率通道；光场通过边缘耦合进入波导，光学环形谐振器分离不同波长，热光加热器可控制光学环形谐振器的谐振波长，实现射频频率通道到光学波长通道的任意映射。在光学性能表征中，对三个不同半径的光学环形谐振器进行测试，其传输光谱中出现清晰的共振峰，自由光谱范围与模拟结果匹配，平均线宽为 3GHz，满足光域密集波分复用需求，热光调谐效率约为 4pm/mW。声学性能表征显示，声学环形谐振器的自由光谱范围测量值与模拟的基模瑞利波速度相符，品质因数在5×103到12×103之间，对应传播损耗为 1.3dB/mm 至 0.56dB/mm。最后是可重构信号转换测试，成功实现了射频频率通道与光学波长通道之间的可重构信号转换，频域测量串扰极小，信噪比（SNR）高于 30dB；时域测试通过非归零开关键控编码，在不同映射配置下实现了高保真信号读出，信噪比高于 35dB；高速信号转换性能测试中，随着数据速率增加，眼图张开度减小，误码率升高，最大数据速率受声环共振的声子寿命限制。
研究结论和讨论部分指出，该研究开发的基于氮化镓 / 蓝宝石的可扩展光声集成电路平台，实现了亚波长尺度光声场的同时限制，无需悬浮结构，为复杂混合电路的灵活布局和多功能集成提供了可能。尽管如此，仍有提升空间，如改进叉指换能器设计、采用压电性更强的材料平台、优化光学环形谐振器调谐方式以及降低光子电路传播损耗等，这些改进有助于提升器件性能和系统扩展性，还可能使光声集成电路在低温下运行，与超导器件集成，在量子领域展现潜在应用价值。这项研究为光声混合系统实现高效、多功能和大规模扩展奠定了重要基础，推动了光声技术在多领域的进一步发展。
