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Resonant multi-harmonic acousto-optics for programmable frequency control of visible light in a CMOS platform

本文展示了一种兼容 CMOS 的氮化硅声光平台，该平台利用谐波间隔的机械共振来合成可编程多音调调制波形，在量子应用领域的高功率可见光频率控制中，实现了突破性的边带转换效率和光谱纯度。

原作者： Jacob M. Freedman, Matthew J. Storey, Daniel Dominguez, Andrew Leenheer, Nils T. Otterstrom, Matt Eichenfield

发布于 2026-09-23

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原作者： Jacob M. Freedman, Matthew J. Storey, Daniel Dominguez, Andrew Leenheer, Nils T. Otterstrom, Matt Eichenfield

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

在量子计算领域，最先进的机器通常依赖于像原子或离子这样微小的粒子来存储信息。为了控制这些粒子，科学家们使用可见光激光束，这些激光束作为冷却、捕获和读取量子比特状态的接口。然而，随着这些系统从包含几十个粒子扩展到可能包含数百万个粒子，我们控制它们的方式必须发生改变。目前的方法需要复杂且笨重的设备来改变光的频率，这种方法难以实现规模化。理想的解决方案是一个能够以极快速度操纵高功率激光光的微型芯片，并符合电子工业严格的制造标准。挑战在于寻找一种既能处理可见光高强度功率，又能快速改变光频率的材料，而标准的硅基芯片在执行此类任务时表现吃力。

一组研究人员现在开发出了一种通过在单个芯片上结合声波与光的力量来解决这一问题的器件。他们创造了一个由氮化硅组成的微小结构，这种材料以其能够处理高功率激光而不发生损耗而闻名。为了使这种材料对电信号产生响应，他们在上面覆盖了一层氮化化合物（铝氮化硅），它就像一个扬声器锥体，在施加电力的作用下发生振动。当这些振动穿过氮化硅时，它们会产生一种移动的压力模式，从而改变经过该处的激光频率。这个过程被称为声光调制，它允许研究人员对光进行编程，使其携带特定的信息。这项创新的关键在于，他们设计了让芯片同时以两个不同的、相关的速度进行振动的机制，而不仅仅是单一速度。这使得他们能够将光塑造成以前在单个芯片上无法创造的复杂图案。

研究人员设计了一个宽度仅为1.4微米的微观光束，它充当了声波的谐振器。通过仔细调整光束的宽度及其内部光路径的核心，他们将该结构调谐至两个特定的频率进行振动：1.14吉赫兹（GHz）和2.28吉赫兹（GHz）。这两个频率在谐波上是完全匹配的，这意味着第二个频率正好是第一个的两倍。当研究人员施加电信号来驱动这些振动时，两股声波协同工作来调制激光。这种组合不再仅仅产生简单的单音频率偏移，而是能够合成一种定制的波形。这种能力打破了一个长期的物理极限。在以往的单音系统中，被转移到新频率的最大光功率被限制在约33.9%左右。通过使用这两个谐波间隔的振动，该团队实现了50%的转换效率，这一显著的提升为更强大的量子控制打开了大门。

该装置的多功能性通过创建三种不同类型的光图案得到了验证。首先，他们最大化了发送到单个偏移频率的功率，达到了上述50%的效率。其次，他们创建了一个平坦的、具有七条谱线的可见光“梳状光谱”，其中功率均匀分布在七个不同的通道中，各通道之间几乎没有差异。第三，他们设计了一种单边带频率偏移，这是一种非常理想的状态，即光被移动到新频率的同时，原始信号和不希望出现的镜像信号几乎被完全消除。在这种配置下，该器件将原始信号抑制了60分贝，并将不想要的镜像信号抑制了53分贝，这种精度代表了此类集成调制器的最高水平。这些结果并非仅仅是理论上的；研究人员是在生产计算机芯片的标准商业工厂中制造了这些器件，证明了这项技术是可以大规模生产的。他们测试了来自三个不同晶圆的36个器件，发现其中91.7%的器件在制造完成后无需任何调整即可完美运行。

这项新技术对量子技术的影响是巨大的。许多领先的量子计算机依赖于像铷这样的原子，这些原子的内部能级跃迁发生在6到12吉赫兹之间的频率。制造能以如此高速振动的机械部件是非常困难的，因为部件会变得过于微小且脆弱，难以高效控制。这个新装置提供了一个巧妙的变通方案。通过驱动芯片在较低的频率（具体为目标频率的三分之一和六分之一）下运行，研究人员可以生成所需的原子控制信号，而无需制造一个需要达到完整、难以触及的高速频率的机械谐振器。他们的计算表明，利用这些较低频率的谐波，可以达到直接驱动高频时97%的效率。这意味着基于铷、铯、钡和�ይ特钽（镱）的量子系统可以使用一个已经兼容大规模制造的平台进行高效控制。这项工作表明，通过对微结构的机械频谱进行工程设计，可以克服共振增强与频谱可编程性之间的权衡，为下一代量子控制系统提供了一条可扩展的路径。

技术摘要：用于 CMOS 平台上可见光可编程频率控制的共振多谐波声光技术

问题陈述
实现对原子、离子和固态发射器进行量子控制的规模化，需要具备在吉赫兹（GHz）频率下对高功率可见光进行光谱内容编程的能力，且该能力需基于可大规模制造的平台。虽然氮化硅（SiN）光子学提供了高功率处理能力和 CMOS 工厂兼容性，但由于其非晶态性质（缺乏皮尔兹效应或压电效应），它缺乏高速调制的内在机制。目前的解决方案涉及集成压电材料（如氮化铝 AlN），这类方案依赖机械共振来实现吉赫兹频率下的高效调制。然而，单一机械共振限制了调制只能产生单调信号，从而导致贝塞尔函数形式的边带振幅分布。这种局限性将频率偏移效率限制在 33.9%，且无法产生非对称输出光谱，也无法合成先进量子操作所需的复杂、定制化多调频光学场。

方法论
作者设计了一种氮化硅声光微结构，旨在支持谐波间隔的机械共振。该器件在三明治层叠结构中制造，利用位于氮化铝（AlN）压电致动器之上的 SiN 波导，通过在 Sandia 国家实验室的 200 mm 晶圆上采用 CMOS 工厂工艺完成。

设计： 通过通过光刻控制结构宽度（ $w_{struct}$ ）和 SiN 芯宽（ $w_{core}$ ）来调节机械光谱。这使得两个机械呼吸模可以在整数倍频率（具体为 1.14 GHz 和 2.28 GHz）处对齐。
耦合： 这些机械模与引导的 730 nm 光学模式强声光耦合。通过将机械能量局部化在 SiN 芯部，并确保应变剖面不存在会导致重叠抵消的空间振荡，从而优化耦合。
控制： AlN 压电致动器能够独立控制两个机械模的振幅和相对相位。这允许合成非正弦调制波形 $\phi(t) = \beta_1 \sin(\Omega t) + \beta_2 \sin(2\Omega t + \psi)$ 。
谐波对齐： 作者推导出了“谐波对齐”条件，确保两个模式之间的频率间隔在由其线宽和可用驱动电压定义的容差范围内，从而实现两频率的同时共振增强。

核心贡献与结果

器件制造与良率： 团队制造了 $w_{struct} = 1.4 \, \mu\text{m}$ 且 $w_{core} = 1.1 \, \mu\text{m}$ 的器件。在来自三个不同晶圆的 36 个器件中，他们在无需后处理调谐的情况下实现了 91.7% 的良率，证明了其稳健的可制造性。
性能指标：
- 单边带效率： 通过优化双调驱动，作者实现了 50% 的单边带转换效率。这比单调调制的理论最大值 33.9% 提高了 1.5 倍。
- 光谱可编程性： 该系统展示了生成平坦七线光梳的能力（峰峰值变化 < 2 dB），以及具有 60 dB 载波抑制和 53 dB 镜像（负边带）抑制能力的单边带频率偏移。这些抑制水平被认为是已报道的集成调制器中的最高水平。
- 带宽： 测量得出 1.14 GHz 和 2.28 GHz 模式的平均调制带宽分别为 16.5 MHz 和 24.4 MHz。
可扩展性： 作者通过串联具有不同结构宽度的器件，展示了扩展到更高谐波的可行性。他们表征了一个支持 3.39 GHz 三次谐波共振的器件，证实了通过将单个光学波导依次通过序列优化的结构，可以集成多个谐波。

意义与主张
本文声称克服了共振增强（效率）与频谱可编程性（波形控制）之间的基本权衡。通过设计多个谐波间隔的共振，该平台能够在芯片上直接合成定制的非正弦调制波形。

作者强调了该技术对量子技术的特定优势：

量子比特控制： 该技术允许高效生成超精细量子比特（如 $^{87}\text{Rb}$ 、 $^{133}\text{Cs}$ 、 $^{171}\text{Yb}^+$ ）的单量子比特门，而无需在较高的跃迁频率（6.8–12.6 GHz）处使用机械共振。
次谐波驱动： 作者计算表明，通过在量子比特跃迁频率的次谐波（例如使用 $^{87}\text{Rb}$ 的 1/6 和 1/3 谐波）进行驱动，可以达到直接驱动跃迁频率时高达 97% 的门效率。这是通过使用多谐波相位调制，随后利用群延迟色散（GDD）元件将相位调制转换为幅度调制来实现的。
平台可行性： 这项工作展示了一条通往可扩展、可大规模制造的量子控制系统的路径，该系统结合了高功率可见光处理、CMOS 集成以及高效的吉赫兹频率光谱编程能力。

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