В новом природа В ходе исследования исследователи из Columbia Engineering создали фотонный чип, который способен генерировать высококачественные сверхмалошумящие микроволновые сигналы, используя только один лазер. Компактное устройство — чип настолько мал, что его можно разместить на остром кончике карандаша — обеспечивает самый низкий уровень микроволнового шума, когда-либо наблюдавшийся в интегрированной фотонике.
Это достижение открывает многообещающий путь к малогабаритной сверхмалошумящей микроволновой генерации для таких приложений, как высокоскоростная связь, атомные часы и автономные транспортные средства.
Задача
Электронный устройствам для глобальной навигации, беспроводной связи, радаров и точного времени необходимы стабильные микроволновые источники, которые будут служить часами и носителями информации. Ключевым аспектом повышения производительности этих устройств является снижение шума или случайных колебаний фазы, присутствующих в микроволновой печи.
«За последнее десятилетие метод, известный как оптическое разделение частот, позволил получить микроволновые сигналы с самым низким уровнем шума, которые когда-либо генерировались на сегодняшний день», — сказал Александр Гаэта, профессор прикладной физики и материаловедения Дэвида М. Рики и профессор электротехники в Университете Дэвида М. Рики. Колумбия Инжиниринг. «Обычно такая система требует нескольких лазеров и относительно большого объема для размещения всех компонентов».
Оптическое разделение частот — метод преобразования высокочастотного сигнала в более низкий — является недавней инновацией в области генерации микроволн, в которой шум сильно подавлен. Однако большая занимаемая площадь настольного уровня не позволяет использовать такие системы для миниатюрных приложений измерения и связи, которые требуют более компактных источников микроволнового излучения и имеют широкое распространение.
«Мы реализовали устройство, которое способно полностью осуществлять деление оптических частот на кристалле площадью всего 1 мм.2 используя только один лазер», — сказал Гаэта. «Мы впервые демонстрируем процесс разделения оптических частот без необходимости использования электроники, что значительно упрощает конструкцию устройства».
Подход
Группа Гаэты специализируется на квантовой и нелинейной фотонике или на том, как лазерный свет взаимодействует с материей. Области фокуса включают нелинейную нанофотонику, генерацию частотных гребенок, интенсивные сверхбыстрые импульсные взаимодействия, а также генерацию и обработку квантовых состояний света.
В текущем исследовании его группа спроектировала и изготовила встроенное в кристалл полностью оптическое устройство, генерирующее микроволновый сигнал частотой 16 ГГц с самым низким частотным шумом, который когда-либо достигался на интегрированной платформе чипа. В устройстве используются два микрорезонатора из нитрида кремния, фотонно связанные друг с другом.
Одночастотный лазер накачивает оба микрорезонатора. Один используется для создания оптического параметрического генератора, который преобразует входную волну в две выходные волны — одну более высокую и одну более низкую по частоте. Разнос между двумя новыми частотами настроен на терагерцовый режим. В результате квантовых корреляций генератора шум этой разности частот может быть в тысячи раз меньше шума входной лазерной волны.
Второй микрорезонатор настроен на создание гребенки оптических частот с микроволновым интервалом. Небольшое количество света от генератора затем подается на гребенчатый генератор, что приводит к синхронизации частоты микроволновой гребенки с терагерцовым генератором, что автоматически приводит к оптическому разделению частот.
Потенциальное воздействие
Работа группы Гаэты представляет собой простой и эффективный подход к разделению оптических частот в небольшом, надежном и портативном корпусе. Результаты открывают двери для устройств размером с чип, которые могут генерировать стабильные, чистые микроволновые сигналы, сравнимые с теми, которые производятся в лабораториях, выполняющих точные измерения.
«В конечном итоге этот тип полностью оптического разделения частот приведет к созданию новых конструкций будущих телекоммуникационных устройств», — сказал он. «Это также может повысить точность микроволновых радаров, используемых в автономных транспортных средствах».
Гаэта вместе с Юн Чжао, который был аспирантом, а сейчас работает постдоком в лаборатории Гаэта, и ученым-исследователем Ёшитомо Окавачи, придумали основную идею проекта. Затем Чжао и аспирант Джэ Чан спроектировали устройства и провели эксперимент.
Проект был реализован в тесном сотрудничестве с профессором инженерного дела Колумбийского университета Майклом Липсон и ее группой. Карл Макналти из группы Липсона изготовил фотонный чип в Колумбийском и Корнельском университетах. Общий кластер высокопроизводительных вычислений Terremoto, услуга, предоставляемая Информационной службой Колумбийского университета. Технологии (CUIT) использовался для моделирования шумовых свойств оптических параметрических генераторов.