In una nuova Natura studio, i ricercatori della Columbia Engineering hanno costruito un chip fotonico in grado di produrre segnali a microonde di alta qualità e a bassissimo rumore utilizzando un solo laser. Il dispositivo compatto, un chip così piccolo che potrebbe stare sulla punta di una matita, produce il rumore a microonde più basso mai osservato in una piattaforma fotonica integrata.
Il risultato fornisce un percorso promettente verso la generazione di microonde a rumore ultra-basso e con ingombro ridotto per applicazioni quali comunicazioni ad alta velocità, orologi atomici e veicoli autonomi.
La sfida
Elettronico i dispositivi per la navigazione globale, le comunicazioni wireless, i radar e la temporizzazione di precisione necessitano di fonti di microonde stabili che fungano da orologi e portatori di informazioni. Un aspetto chiave per aumentare le prestazioni di questi dispositivi è ridurre il rumore, o le fluttuazioni casuali di fase, presenti nel microonde.
"Negli ultimi dieci anni, una tecnica nota come divisione della frequenza ottica ha prodotto i segnali a microonde con il rumore più basso mai generati fino ad oggi", ha affermato Alexander Gaeta, David M. Rickey, professore di fisica applicata e scienza dei materiali e professore di ingegneria elettrica alla Ingegneria della Columbia. “In genere, un sistema del genere richiede più laser e un volume relativamente grande per contenere tutti i componenti”.
La divisione ottica della frequenza, un metodo per convertire un segnale ad alta frequenza in una frequenza più bassa, è una recente innovazione per la generazione di microonde in cui il rumore è stato fortemente soppresso. Tuttavia, un ampio ingombro a livello di tavolo impedisce che tali sistemi vengano sfruttati per applicazioni di rilevamento e comunicazione miniaturizzate che richiedono sorgenti a microonde più compatte e sono ampiamente adottate.
“Abbiamo realizzato un dispositivo in grado di eseguire la divisione della frequenza ottica interamente su un chip in un'area piccola quanto 1 mm2 utilizzando un solo laser”, ha detto Gaeta. “Dimostriamo per la prima volta il processo di divisione della frequenza ottica senza la necessità di componenti elettronici, semplificando notevolmente la progettazione del dispositivo”.
L'approccio
Il gruppo di Gaeta è specializzato in fotonica quantistica e non lineare, ovvero come la luce laser interagisce con la materia. Le aree di interesse includono la nanofotonica non lineare, la generazione di pettini di frequenza, le intense interazioni di impulsi ultraveloci e la generazione ed elaborazione di stati quantistici di luce.
Nel presente studio, il suo gruppo ha progettato e fabbricato un dispositivo completamente ottico su chip che genera un segnale a microonde a 16 GHz con il rumore di frequenza più basso mai ottenuto in una piattaforma di chip integrata. Il dispositivo utilizza due microrisonatori in nitruro di silicio accoppiati fotonicamente insieme.
Un laser a frequenza singola pompa entrambi i microrisonatori. Uno viene utilizzato per creare un oscillatore parametrico ottico, che converte l'onda di ingresso in due onde di uscita: una con frequenza più alta e una con frequenza più bassa. La spaziatura delle due nuove frequenze viene regolata per essere nel regime dei terahertz. Come risultato delle correlazioni quantistiche dell'oscillatore, il rumore di questa differenza di frequenza può essere migliaia di volte inferiore al rumore dell'onda laser in ingresso.
Il secondo microrisonatore è regolato per generare un pettine di frequenza ottica con una spaziatura di microonde. Una piccola quantità di luce proveniente dall'oscillatore viene quindi accoppiata al generatore a pettine, portando alla sincronizzazione della frequenza del pettine a microonde con l'oscillatore terahertz che risulta automaticamente nella divisione della frequenza ottica.
Impatto potenziale
Il lavoro del gruppo di Gaeta rappresenta un approccio semplice ed efficace per eseguire la divisione della frequenza ottica all'interno di un pacchetto piccolo, robusto e altamente portatile. I risultati aprono la strada a dispositivi su scala chip in grado di generare segnali a microonde puri e stabili, paragonabili a quelli prodotti nei laboratori che eseguono misurazioni di precisione.
"Alla fine, questo tipo di divisione della frequenza completamente ottica porterà a nuovi progetti di futuri dispositivi di telecomunicazione", ha affermato. “Potrebbe anche migliorare la precisione dei radar a microonde utilizzati per i veicoli autonomi”.
Gaeta, insieme a Yun Zhao, che era uno studente laureato e ora è un post-doc presso il Gaeta Lab, e il ricercatore Yoshitomo Okawachi, hanno concepito l'idea centrale del progetto. Quindi, Zhao e il post-doc Jae Jang hanno progettato i dispositivi ed eseguito l'esperimento.
Il progetto è stato realizzato in stretta collaborazione con il professore della Columbia Engineering Michal Lipson e il suo gruppo. Karl McNulty del gruppo Lipson ha fabbricato il chip fotonico sia alla Columbia che alla Cornell University. Il Terremoto Shared High-Performance Computing Cluster, un servizio fornito da Columbia University Information Tecnologia (CUIT), è stato utilizzato per modellare le proprietà del rumore degli oscillatori parametrici ottici.