في جديد الطبيعة وفي الدراسة، قام باحثو جامعة كولومبيا الهندسية ببناء شريحة ضوئية قادرة على إنتاج إشارات ميكروويف عالية الجودة ومنخفضة الضوضاء للغاية باستخدام ليزر واحد فقط. وينتج عن هذا الجهاز المدمج - وهو عبارة عن شريحة صغيرة جدًا يمكن وضعها على نقطة قلم رصاص حادة - أدنى مستوى من ضوضاء الميكروويف التي تم ملاحظتها على الإطلاق في منصة الضوئيات المتكاملة.
يوفر هذا الإنجاز طريقًا واعدًا نحو توليد موجات ميكروويف صغيرة الحجم ومنخفضة الضوضاء للغاية لتطبيقات مثل الاتصالات عالية السرعة والساعات الذرية والمركبات المستقلة.
التحدي
إلكتروني تحتاج أجهزة الملاحة العالمية، والاتصالات اللاسلكية، والرادار، والتوقيت الدقيق إلى مصادر موجات صغرية مستقرة لتكون بمثابة ساعات وحاملات معلومات. أحد الجوانب الرئيسية لزيادة أداء هذه الأجهزة هو تقليل الضوضاء، أو التقلبات العشوائية في الطور، الموجودة في الميكروويف.
قال ألكسندر جايتا، أستاذ الفيزياء التطبيقية وعلوم المواد وأستاذ الهندسة الكهربائية في جامعة ديفيد إم. ريكي: "في العقد الماضي، أدت تقنية تُعرف باسم تقسيم التردد البصري إلى إنتاج إشارات الموجات الدقيقة الأقل ضوضاءً حتى الآن". هندسة كولومبيا. "عادة، يتطلب مثل هذا النظام أشعة ليزر متعددة وحجمًا كبيرًا نسبيًا لاحتواء جميع المكونات."
يعد تقسيم التردد البصري - وهو طريقة لتحويل إشارة عالية التردد إلى تردد أقل - ابتكارًا حديثًا لتوليد أفران ميكروويف يتم فيها قمع الضوضاء بقوة. ومع ذلك، فإن المساحة الكبيرة على سطح الطاولة تمنع الاستفادة من هذه الأنظمة في تطبيقات الاستشعار والاتصالات المصغرة التي تتطلب مصادر موجات صغرية أكثر إحكاما ويتم اعتمادها على نطاق واسع.
"لقد حققنا جهازًا قادرًا على إجراء تقسيم التردد البصري بالكامل على شريحة في مساحة صغيرة تصل إلى 1 مم2 قال جايتا: “باستخدام ليزر واحد فقط”. "لقد أظهرنا لأول مرة عملية تقسيم التردد البصري دون الحاجة إلى الإلكترونيات، مما أدى إلى تبسيط تصميم الجهاز إلى حد كبير."
التقرب
تتخصص مجموعة جايتا في الضوئيات الكمومية وغير الخطية، أو كيفية تفاعل ضوء الليزر مع المادة. تشمل مجالات التركيز الضوئيات النانوية غير الخطية، وتوليد مشط التردد، وتفاعلات النبض فائقة السرعة المكثفة، وتوليد ومعالجة حالات الضوء الكمومية.
في الدراسة الحالية، قام فريقه بتصميم وتصنيع جهاز ضوئي بالكامل على شريحة يولد إشارة ميكروويف بتردد 16 جيجاهرتز مع أقل تردد ضوضاء تم تحقيقه على الإطلاق في منصة شرائح متكاملة. يستخدم الجهاز اثنين من الرنانات الدقيقة المصنوعة من نيتريد السيليكون والمقترنة ضوئيًا معًا.
يضخ الليزر أحادي التردد كلاً من المرنانات الدقيقة. تُستخدم إحداهما لإنشاء مذبذب حدودي بصري، والذي يحول موجة الإدخال إلى موجتين مخرجتين - واحدة أعلى والأخرى أقل ترددًا. يتم ضبط التباعد الترددي بين الترددين الجديدين ليكون في نظام تيراهيرتز. ونتيجة للارتباطات الكمومية للمذبذب، يمكن أن يكون ضجيج فرق التردد هذا أقل بآلاف المرات من ضجيج موجة الليزر المدخلة.
يتم ضبط الرنان الصغير الثاني لتوليد مشط تردد بصري مع تباعد الموجات الدقيقة. يتم بعد ذلك اقتران كمية صغيرة من الضوء من المذبذب بمولد المشط، مما يؤدي إلى مزامنة تردد مشط الميكروويف مع مذبذب تيراهيرتز الذي يؤدي تلقائيًا إلى تقسيم التردد البصري.
التأثير المحتمل
يمثل العمل الذي قامت به مجموعة جايتا طريقة بسيطة وفعالة لإجراء تقسيم التردد البصري ضمن حزمة صغيرة وقوية وسهلة الحمل للغاية. تفتح النتائج الباب أمام أجهزة على نطاق الرقائق يمكنها توليد إشارات موجات صغرية مستقرة ونقية مماثلة لتلك المنتجة في المختبرات التي تجري قياسات دقيقة.
وقال: "في نهاية المطاف، سيؤدي هذا النوع من تقسيم التردد البصري بالكامل إلى تصميمات جديدة لأجهزة الاتصالات المستقبلية". "يمكن أن يؤدي ذلك أيضًا إلى تحسين دقة رادارات الموجات الدقيقة المستخدمة في المركبات ذاتية القيادة."
تصور جايتا، جنبًا إلى جنب مع يون تشاو - الذي كان طالب دراسات عليا وهو الآن طالب ما بعد الدكتوراه في مختبر جايتا - وعالم الأبحاث يوشيتومو أوكاواشي، الفكرة الأساسية للمشروع. بعد ذلك، قام تشاو وباحث ما بعد الدكتوراه جاي جانغ بتصميم الأجهزة وإجراء التجربة.
تم تنفيذ المشروع بالتعاون الوثيق مع أستاذة الهندسة بجامعة كولومبيا ميشال ليبسون ومجموعتها. قام كارل ماكنولتي من مجموعة ليبسون بتصنيع الرقاقة الضوئية في كل من جامعة كولومبيا وجامعة كورنيل. مجموعة الحوسبة المشتركة ذات الأداء العالي TheTerremoto، وهي خدمة تقدمها معلومات جامعة كولومبيا تكنولوجيا تم استخدام (CUIT) لنمذجة خصائص الضوضاء للمذبذبات البارامترية البصرية.