Dalam baru Alam kajian, penyelidik Columbia Engineering telah membina cip fotonik yang mampu menghasilkan isyarat gelombang mikro bunyi ultra-rendah yang berkualiti tinggi hanya menggunakan satu laser. Peranti padat—cip yang sangat kecil, ia boleh dimuatkan pada mata pensel yang tajam—menghasilkan bunyi gelombang mikro yang paling rendah pernah diperhatikan dalam platform fotonik bersepadu.
Pencapaian itu menyediakan laluan yang menjanjikan ke arah penjanaan gelombang mikro bunyi ultra-rendah jejak kecil untuk aplikasi seperti komunikasi berkelajuan tinggi, jam atom dan kenderaan autonomi.
Cabaran
Elektronik peranti untuk navigasi global, komunikasi tanpa wayar, radar dan pemasaan ketepatan memerlukan sumber gelombang mikro yang stabil untuk berfungsi sebagai jam dan pembawa maklumat. Aspek utama untuk meningkatkan prestasi peranti ini ialah mengurangkan hingar, atau turun naik rawak dalam fasa, yang terdapat pada gelombang mikro.
"Dalam dekad yang lalu, teknik yang dikenali sebagai pembahagian frekuensi optik telah menghasilkan isyarat gelombang mikro bunyi paling rendah yang telah dihasilkan setakat ini," kata Alexander Gaeta, David M. Rickey Profesor Fizik Gunaan dan Sains Bahan dan profesor kejuruteraan elektrik di Kejuruteraan Columbia. "Biasanya, sistem sedemikian memerlukan berbilang laser dan volum yang agak besar untuk mengandungi semua komponen."
Pembahagian frekuensi optik—kaedah menukar isyarat frekuensi tinggi kepada frekuensi yang lebih rendah—adalah inovasi terbaru untuk menjana gelombang mikro yang bunyinya telah ditindas dengan kuat. Walau bagaimanapun, jejak peringkat atas meja yang besar menghalang sistem sedemikian daripada dimanfaatkan untuk aplikasi penderiaan dan komunikasi kecil yang memerlukan sumber gelombang mikro yang lebih padat dan diterima pakai secara meluas.
“Kami telah merealisasikan peranti yang mampu melakukan pembahagian frekuensi optik sepenuhnya pada cip di kawasan sekecil 1 mm2 hanya menggunakan satu laser,” kata Gaeta. "Kami menunjukkan buat pertama kalinya proses pembahagian frekuensi optik tanpa memerlukan elektronik, sangat memudahkan reka bentuk peranti."
Pendekatan
Kumpulan Gaeta pakar dalam fotonik kuantum dan tak linear, atau cara cahaya laser berinteraksi dengan jirim. Bidang fokus termasuk nanofotonik tak linear, penjanaan sisir frekuensi, interaksi nadi ultrafast yang sengit, dan penjanaan dan pemprosesan keadaan kuantum cahaya.
Dalam kajian semasa, kumpulannya mereka bentuk dan mencipta peranti semua-optik pada cip yang menjana isyarat gelombang mikro 16-GHz dengan hingar frekuensi terendah yang pernah dicapai dalam platform cip bersepadu. Peranti ini menggunakan dua mikroresonator yang diperbuat daripada silikon nitrida yang digabungkan secara fotonik.
Laser frekuensi tunggal mengepam kedua-dua mikroresonator. Satu digunakan untuk mencipta pengayun parametrik optik, yang menukar gelombang input kepada dua gelombang keluaran-satu lebih tinggi dan satu lebih rendah dalam frekuensi. Jarak frekuensi kedua-dua frekuensi baharu dilaraskan supaya berada dalam rejim terahertz. Hasil daripada korelasi kuantum pengayun, hingar perbezaan frekuensi ini boleh beribu-ribu kali kurang daripada bunyi gelombang laser input.
Mikroresonator kedua dilaraskan untuk menghasilkan sikat frekuensi optik dengan jarak gelombang mikro. Sebilangan kecil cahaya dari pengayun kemudiannya digandingkan ke penjana sikat, membawa kepada penyegerakan frekuensi sikat gelombang mikro ke pengayun terahertz yang secara automatik menghasilkan pembahagian frekuensi optik.
Potensi kesan
Kerja daripada kumpulan Gaeta mewakili pendekatan yang mudah dan berkesan untuk melaksanakan pembahagian frekuensi optik dalam pakej yang kecil, teguh dan sangat mudah alih. Penemuan ini membuka pintu untuk peranti berskala cip yang boleh menjana isyarat gelombang mikro tulen yang stabil setanding dengan yang dihasilkan di makmal yang melakukan pengukuran ketepatan.
"Akhirnya, bahagian frekuensi optik semua jenis ini akan membawa kepada reka bentuk baharu peranti telekomunikasi masa hadapan," katanya. "Ia juga boleh meningkatkan ketepatan radar gelombang mikro yang digunakan untuk kenderaan autonomi."
Gaeta, bersama-sama dengan Yun Zhao—yang merupakan pelajar siswazah dan kini menjadi pasca-dokumen di Lab Gaeta—dan saintis penyelidikan Yoshitomo Okawachi, mencipta idea teras projek itu. Kemudian, Zhao dan post-doc Jae Jang mereka peranti dan melakukan percubaan.
Projek itu dilakukan dengan kerjasama rapat dengan profesor Kejuruteraan Columbia Michal Lipson dan kumpulannya. Karl McNulty dari kumpulan Lipson mengarang cip fotonik di Columbia dan Cornell University. Kluster Pengkomputeran Berprestasi Tinggi Berkongsi TheTerremoto, perkhidmatan yang disediakan oleh Columbia University Information Teknologi (CUIT), digunakan untuk memodelkan sifat hingar pengayun parametrik optik.