Dalam baru Alam Dalam studinya, para peneliti Columbia Engineering telah membangun sebuah chip fotonik yang mampu menghasilkan sinyal gelombang mikro berkualitas tinggi dengan kebisingan sangat rendah hanya dengan menggunakan satu laser. Perangkat kompak ini—sebuah chip yang sangat kecil sehingga dapat dimasukkan ke dalam ujung pensil yang tajam—menghasilkan kebisingan gelombang mikro terendah yang pernah diamati dalam platform fotonik terintegrasi.
Pencapaian ini memberikan jalur yang menjanjikan menuju pembangkitan gelombang mikro dengan tingkat kebisingan sangat rendah yang kecil untuk aplikasi seperti komunikasi kecepatan tinggi, jam atom, dan kendaraan otonom.
Tantangan
Elektronik perangkat untuk navigasi global, komunikasi nirkabel, radar, dan pengaturan waktu yang presisi memerlukan sumber gelombang mikro yang stabil untuk berfungsi sebagai jam dan pembawa informasi. Aspek kunci untuk meningkatkan kinerja perangkat ini adalah mengurangi kebisingan, atau fluktuasi fase acak, yang ada pada microwave.
“Dalam dekade terakhir, teknik yang dikenal sebagai pembagian frekuensi optik telah menghasilkan sinyal gelombang mikro dengan noise terendah yang pernah dihasilkan hingga saat ini,” kata Alexander Gaeta, Profesor Fisika Terapan dan Ilmu Material David M. Rickey dan profesor teknik elektro di Teknik Kolombia. “Biasanya, sistem seperti itu memerlukan banyak laser dan volume yang relatif besar untuk menampung semua komponen.”
Pembagian frekuensi optik—sebuah metode untuk mengubah sinyal frekuensi tinggi ke frekuensi yang lebih rendah—adalah inovasi terbaru untuk menghasilkan gelombang mikro yang kebisingannya telah ditekan dengan kuat. Namun, tapak yang besar di permukaan meja mencegah sistem tersebut dimanfaatkan untuk aplikasi penginderaan dan komunikasi mini yang memerlukan sumber gelombang mikro yang lebih kompak dan diadopsi secara luas.
“Kami telah merealisasikan perangkat yang mampu melakukan pembagian frekuensi optik seluruhnya pada sebuah chip di area sekecil 1 mm2 hanya menggunakan satu laser,” kata Gaeta. “Untuk pertama kalinya kami mendemonstrasikan proses pembagian frekuensi optik tanpa memerlukan perangkat elektronik, sehingga sangat menyederhanakan desain perangkat.”
Pendekatan
Kelompok Gaeta berspesialisasi dalam fotonik kuantum dan nonlinier, atau bagaimana sinar laser berinteraksi dengan materi. Area fokus meliputi nanofotonik nonlinier, pembangkitan sisir frekuensi, interaksi pulsa ultracepat yang intens, serta pembangkitan dan pemrosesan keadaan cahaya kuantum.
Dalam penelitian saat ini, kelompoknya merancang dan membuat perangkat on-chip, semua optik yang menghasilkan sinyal gelombang mikro 16-GHz dengan noise frekuensi terendah yang pernah dicapai dalam platform chip terintegrasi. Perangkat ini menggunakan dua mikroresonator yang terbuat dari silikon nitrida yang digabungkan secara fotonik.
Laser frekuensi tunggal memompa kedua mikroresonator. Salah satunya digunakan untuk membuat osilator parametrik optik, yang mengubah gelombang masukan menjadi dua gelombang keluaran—satu frekuensi lebih tinggi dan satu lagi lebih rendah frekuensinya. Jarak frekuensi kedua frekuensi baru tersebut disesuaikan agar berada pada rezim terahertz. Sebagai hasil dari korelasi kuantum osilator, derau dari perbedaan frekuensi ini bisa ribuan kali lebih kecil daripada derau gelombang laser masukan.
Mikroresonator kedua disesuaikan untuk menghasilkan sisir frekuensi optik dengan jarak gelombang mikro. Sejumlah kecil cahaya dari osilator kemudian digabungkan ke generator sisir, menyebabkan sinkronisasi frekuensi sisir gelombang mikro ke osilator terahertz yang secara otomatis menghasilkan pembagian frekuensi optik.
Dampak potensial
Pekerjaan dari kelompok Gaeta mewakili pendekatan yang sederhana dan efektif untuk melakukan pembagian frekuensi optik dalam paket yang kecil, kuat, dan sangat portabel. Temuan ini membuka pintu bagi perangkat berskala chip yang dapat menghasilkan sinyal gelombang mikro murni dan stabil yang sebanding dengan yang dihasilkan di laboratorium yang melakukan pengukuran presisi.
“Pada akhirnya, pembagian frekuensi semua optik ini akan mengarah pada desain baru perangkat telekomunikasi masa depan,” katanya. “Hal ini juga dapat meningkatkan presisi radar gelombang mikro yang digunakan pada kendaraan otonom.”
Gaeta, bersama dengan Yun Zhao—seorang mahasiswa pascasarjana dan sekarang menjadi post-doc di Lab Gaeta—dan ilmuwan riset Yoshitomo Okawachi, menyusun ide inti proyek ini. Kemudian, Zhao dan pasca-doktoral Jae Jang merancang perangkat dan melakukan eksperimen.
Proyek ini dilakukan bekerja sama erat dengan profesor Teknik Columbia Michal Lipson dan kelompoknya. Karl McNulty dari kelompok Lipson membuat chip fotonik di Columbia dan Cornell University. TheTerremoto Shared High-Performance Computing Cluster, sebuah layanan yang disediakan oleh Columbia University Information Teknologi (CUIT), digunakan untuk memodelkan sifat kebisingan osilator parametrik optik.