Numa nova Natureza estudo, os pesquisadores da Columbia Engineering construíram um chip fotônico que é capaz de produzir sinais de microondas de alta qualidade e ruído ultrabaixo usando apenas um único laser. O dispositivo compacto – um chip tão pequeno que caberia na ponta afiada de um lápis – resulta no menor ruído de micro-ondas já observado em uma plataforma fotônica integrada.
A conquista fornece um caminho promissor para a geração de micro-ondas de pequeno porte e ruído ultrabaixo para aplicações como comunicação de alta velocidade, relógios atômicos e veículos autônomos.
O desafio
Eletrônico dispositivos para navegação global, comunicações sem fio, radar e cronometragem precisa precisam de fontes de micro-ondas estáveis para servir como relógios e portadores de informações. Um aspecto fundamental para aumentar o desempenho desses dispositivos é reduzir o ruído, ou flutuações aleatórias de fase, que está presente no micro-ondas.
“Na última década, uma técnica conhecida como divisão de frequência óptica resultou nos sinais de microondas com menor ruído gerados até o momento”, disse Alexander Gaeta, professor David M. Rickey de Física Aplicada e Ciência de Materiais e professor de engenharia elétrica em Engenharia Colômbia. “Normalmente, tal sistema requer vários lasers e um volume relativamente grande para conter todos os componentes.”
A divisão óptica de frequência – um método de conversão de um sinal de alta frequência em uma frequência mais baixa – é uma inovação recente para gerar microondas nas quais o ruído foi fortemente suprimido. No entanto, uma grande área ocupada no nível da mesa impede que tais sistemas sejam aproveitados para aplicações miniaturizadas de detecção e comunicação que exigem fontes de microondas mais compactas e são amplamente adotadas.
“Conseguimos criar um dispositivo que é capaz de realizar divisão de frequência óptica inteiramente em um chip em uma área tão pequena quanto 1 mm2 usando apenas um único laser”, disse Gaeta. “Demonstramos pela primeira vez o processo de divisão de frequência óptica sem a necessidade de eletrônica, simplificando bastante o design do dispositivo.”
A abordagem
O grupo de Gaeta é especializado em fotônica quântica e não linear, ou como a luz do laser interage com a matéria. As áreas de foco incluem nanofotônica não linear, geração de pente de frequência, intensas interações de pulso ultrarrápidas e geração e processamento de estados quânticos de luz.
No estudo atual, seu grupo projetou e fabricou um dispositivo totalmente óptico no chip que gera um sinal de micro-ondas de 16 GHz com o ruído de frequência mais baixo já alcançado em uma plataforma de chip integrada. O dispositivo usa dois microrressonadores feitos de nitreto de silício que são acoplados fotonicamente.
Um laser de frequência única bombeia ambos os microrressonadores. Um é usado para criar um oscilador paramétrico óptico, que converte a onda de entrada em duas ondas de saída – uma de frequência mais alta e outra de frequência mais baixa. O espaçamento de frequência das duas novas frequências é ajustado para estar no regime de terahertz. Como resultado das correlações quânticas do oscilador, o ruído desta diferença de frequência pode ser milhares de vezes menor que o ruído da onda laser de entrada.
O segundo microrressonador é ajustado para gerar um pente de frequência óptica com espaçamento de microondas. Uma pequena quantidade de luz do oscilador é então acoplada ao gerador de pente, levando à sincronização da frequência de pente de micro-ondas com o oscilador terahertz, que resulta automaticamente na divisão de frequência óptica.
Impacto potencial
O trabalho do grupo de Gaeta representa uma abordagem simples e eficaz para realizar a divisão de frequência óptica em um pacote pequeno, robusto e altamente portátil. As descobertas abrem a porta para dispositivos em escala de chip que podem gerar sinais de microondas puros e estáveis, comparáveis aos produzidos em laboratórios que realizam medições de precisão.
“Eventualmente, este tipo de divisão de frequência totalmente óptica levará a novos designs de futuros dispositivos de telecomunicações”, disse ele. “Também poderia melhorar a precisão dos radares de microondas usados para veículos autônomos.”
Gaeta, junto com Yun Zhao - que era estudante de graduação e agora é pós-doutorado no Laboratório Gaeta - e o cientista pesquisador Yoshitomo Okawachi, conceberam a ideia central do projeto. Então, Zhao e o pós-doutorado Jae Jang projetaram os dispositivos e realizaram o experimento.
O projeto foi realizado em estreita colaboração com o professor de Engenharia da Columbia, Michal Lipson, e seu grupo. Karl McNulty, do grupo Lipson, fabricou o chip fotônico na Columbia e na Cornell University. TheTerremoto Shared High-Performance Computing Cluster, um serviço fornecido pela Columbia University Information Equipar (CUIT), foi usado para modelar as propriedades de ruído de osciladores paramétricos ópticos.