Mikrobølgesignaler af høj kvalitet genereret fra en lille fotonisk chip

I en ny Natur undersøgelse, Columbia Engineering-forskere har bygget en fotonisk chip, der er i stand til at producere højkvalitets, ultra-lav-støj mikrobølgesignaler ved hjælp af kun en enkelt laser. Den kompakte enhed – en chip så lille, at den kunne passe på en skarp blyantspids – resulterer i den laveste mikrobølgestøj, der nogensinde er observeret i en integreret fotonikplatform.

Præstationen giver en lovende vej mod ultra-lav-støj mikrobølgegenerering med lille fodaftryk til applikationer som højhastighedskommunikation, atomure og autonome køretøjer.

Udfordringen

Elektroniske enheder til global navigation, trådløs kommunikation, radar og præcisionstid har brug for stabile mikrobølgekilder til at fungere som ure og informationsbærere. Et nøgleaspekt til at øge ydeevnen af ​​disse enheder er at reducere støjen eller tilfældige faseudsving, der er til stede på mikrobølgeovnen.

"I det seneste årti har en teknik kendt som optisk frekvensdeling resulteret i de laveste mikrobølgesignaler, der er blevet genereret til dato," siger Alexander Gaeta, David M. Rickey professor i anvendt fysik og materialevidenskab og professor i elektroteknik ved Columbia Engineering. "Typisk kræver et sådant system flere lasere og et relativt stort volumen for at indeholde alle komponenterne."

Optisk frekvensdeling - en metode til at konvertere et højfrekvent signal til en lavere frekvens - er en nylig nyskabelse til at generere mikrobølger, hvor støjen er blevet kraftigt undertrykt. Et stort fodaftryk på bordpladen forhindrer imidlertid sådanne systemer i at blive udnyttet til miniaturiserede registrerings- og kommunikationsapplikationer, der kræver mere kompakte mikrobølgekilder og er bredt udbredt.

"Vi har realiseret en enhed, der er i stand til at udføre optisk frekvensdeling udelukkende på en chip i et område så lille som 1 mm ² kun ved at bruge en enkelt laser," sagde Gaeta. "Vi demonstrerer for første gang processen med optisk frekvensdeling uden behov for elektronik, hvilket i høj grad forenkler enhedens design."

Tilgangen

Gaetas gruppe har specialiseret sig i kvante- og ikke-lineær fotonik, eller hvordan laserlys interagerer med stof. Fokusområder omfatter ikke-lineær nanofotonik, frekvens-kamgenerering, intense ultrahurtige pulsinteraktioner og generering og behandling af kvantetilstande af lys.

I den aktuelle undersøgelse designet og fremstillede hans gruppe en on-chip, helt optisk enhed, der genererer et 16 GHz mikrobølgesignal med den laveste frekvensstøj, der nogensinde er blevet opnået i en integreret chipplatform. Enheden bruger to mikroresonatorer lavet af siliciumnitrid, der er fotonisk koblet sammen.

En enkeltfrekvenslaser pumper begge mikroresonatorer. Den ene bruges til at skabe en optisk parametrisk oscillator, som konverterer inputbølgen til to outputbølger - en højere og en lavere i frekvens. Frekvensafstanden mellem de to nye frekvenser er justeret til at være i terahertz-regimet. Som et resultat af oscillatorens kvantekorrelationer kan støjen fra denne frekvensforskel være tusindvis af gange mindre end støjen fra inputlaserbølgen.

Den anden mikroresonator er justeret til at generere en optisk frekvenskam med en mikrobølgeafstand. En lille mængde lys fra oscillatoren kobles derefter til kamgeneratoren, hvilket fører til synkronisering af mikrobølgekamfrekvensen til terahertzoscillatoren, hvilket automatisk resulterer i optisk frekvensdeling.

Potentiel påvirkning

Arbejdet fra Gaetas gruppe repræsenterer en enkel, effektiv tilgang til at udføre optisk frekvensopdeling i en lille, robust og yderst bærbar pakke. Resultaterne åbner døren for chip-skalaenheder, der kan generere stabile, rene mikrobølgesignaler, der kan sammenlignes med dem, der produceres i laboratorier, der udfører præcisionsmålinger.

"Til sidst vil denne type optisk frekvensopdeling føre til nye designs af fremtidige telekommunikationsenheder," sagde han. "Det kunne også forbedre præcisionen af ​​mikrobølgeradarer, der bruges til autonome køretøjer."

Gaeta, sammen med Yun Zhao – som var kandidatstuderende og nu er post-doc i Gaeta Lab – og forsker Yoshitomo Okawachi, udtænkte projektets kerneidé. Derefter designede Zhao og post-doc Jae Jang enhederne og udførte eksperimentet.

Projektet er udført i tæt samarbejde med Columbia Engineering professor Michal Lipson og hendes gruppe. Karl McNulty fra Lipson-gruppen fremstillede den fotoniske chip på både Columbia og Cornell University. TheTerremoto Shared High-Performance Computing Cluster, en service leveret af Columbia University Information Technology (CUIT), blev brugt til at modellere støjegenskaberne for optiske parametriske oscillatorer.

Flere oplysninger: Yun Zhao et al., All-optical frekvens division on-chip ved hjælp af en enkelt laser, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07136-2

Leveret af Columbia University School of Engineering and Applied Science