_ Semnale cu microunde de înaltă calitate generate dintr-un mic cip fotonic

Într-un nou studiu Nature, cercetătorii Columbia Engineering au construit un cip fotonic care este capabil să producă semnale cu microunde de înaltă calitate, cu zgomot ultra-scăzut, folosind doar un singur laser. Dispozitivul compact – un cip atât de mic încât s-ar putea încadra într-o vârf ascuțită de creion – are ca rezultat cel mai scăzut zgomot de microunde observat vreodată într-o platformă fotonică integrată.

Realizarea oferă o cale promițătoare către o amprentă ultra mică. -generarea de microunde cu zgomot redus pentru aplicații precum comunicațiile de mare viteză, ceasurile atomice și vehiculele autonome.

Dispozitivele electronice pentru navigație globală, comunicații fără fir, radare și sincronizare de precizie au nevoie de surse stabile de microunde pentru a servi drept ceasuri și suporturi de informații. Un aspect cheie pentru creșterea performanței acestor dispozitive este reducerea zgomotului sau a fluctuațiilor aleatorii de fază, care este prezent pe cuptorul cu microunde.

„În ultimul deceniu, a rezultat o tehnică cunoscută sub numele de divizare a frecvenței optice. în semnalele cu microunde cu cel mai scăzut zgomot care au fost generate până în prezent”, a declarat Alexander Gaeta, profesor David M. Rickey de Fizică Aplicată și Știința Materialelor și profesor de inginerie electrică la Columbia Engineering. „De obicei, un astfel de sistem necesită mai multe lasere și un volum relativ mare pentru a conține toate componentele.”

Diviziunea optică a frecvenței – o metodă de conversie a unui semnal de înaltă frecvență la o frecvență mai mică – este o inovație recentă pentru generarea de microunde în care zgomotul a fost puternic suprimat. Cu toate acestea, o amprentă mare la nivel de masă împiedică utilizarea unor astfel de sisteme pentru aplicații miniaturizate de detectare și comunicare care necesită surse de microunde mai compacte și sunt adoptate pe scară largă.

„Am realizat un dispozitiv care este capabil să efectuează diviziunea optică a frecvenței în întregime pe un cip într-o zonă mică de 1 mm2 folosind doar un singur laser”, a spus Gaeta. „Demonstrăm pentru prima dată procesul de divizare a frecvenței optice fără a fi nevoie de electronică, simplificând foarte mult designul dispozitivului.”

Grupul lui Gaeta este specializat în fotonica cuantică și neliniară sau modul în care lumina laser interacționează cu materia. Zonele de focalizare includ nanofotonica neliniară, generarea de pieptene de frecvență, interacțiuni intense cu impulsuri ultrarapide și generarea și procesarea stărilor cuantice ale luminii.

În studiul actual, grupul său a proiectat și fabricat un cip, tot- dispozitiv optic care generează un semnal de microunde de 16 GHz cu zgomotul de cea mai joasă frecvență care a fost realizat vreodată într-o platformă de cip integrată. Dispozitivul folosește două microrezonatoare din nitrură de siliciu care sunt cuplate fotonic împreună.

Un laser cu o singură frecvență pompează ambele microrezonatoare. Unul este folosit pentru a crea un oscilator optic parametric, care convertește unda de intrare în două unde de ieșire - una mai mare și una mai mică ca frecvență. Distanța de frecvență a celor două frecvențe noi este ajustată pentru a fi în regimul teraherți. Ca urmare a corelațiilor cuantice ale oscilatorului, zgomotul acestei diferențe de frecvență poate fi de mii de ori mai mic decât zgomotul undei laser de intrare.

Al doilea microrezonator este ajustat pentru a genera un pieptene de frecvență optică. cu o distanță între cuptorul cu microunde. O cantitate mică de lumină de la oscilator este apoi cuplată la generatorul de pieptene, ceea ce duce la sincronizarea frecvenței pieptenelor cu microunde cu oscilatorul teraherți, ceea ce duce automat la diviziunea frecvenței optice.

Lucrările din grupul lui Gaeta reprezintă o abordare simplă și eficientă pentru efectuarea divizării frecvenței optice într-un pachet mic, robust și extrem de portabil. Descoperirile deschid ușa pentru dispozitive la scară de cip care pot genera semnale stabile, pure cu microunde, comparabile cu cele produse în laboratoarele care efectuează măsurători de precizie.

„În cele din urmă, acest tip de diviziune a frecvenței integrale va duce la noi modele de dispozitive de telecomunicații viitoare”, a spus el. „Ar putea îmbunătăți, de asemenea, precizia radarelor cu microunde utilizate pentru vehiculele autonome.”

Gaeta, împreună cu Yun Zhao — care a fost student absolvent și acum este post-doctorat în Laboratorul Gaeta — și cercetător de știință Yoshitomo Okawachi, a conceput ideea de bază a proiectului. Apoi, Zhao și post-doctoratul Jae Jang au proiectat dispozitivele și au efectuat experimentul.

Proiectul a fost realizat în strânsă colaborare cu profesorul Columbia Engineering Michal Lipson și grupul ei. Karl McNulty de la grupul Lipson a fabricat cipul fotonic atât la Columbia, cât și la Universitatea Cornell. Clusterul de calcul de înaltă performanță partajat Terremoto, un serviciu furnizat de Columbia University Information Technology (CUIT), a fost folosit pentru a modela proprietățile de zgomot ale oscilatoarelor optice parametrice.

(Fluierul)