ในใหม่ ธรรมชาติ การศึกษาวิจัยของ Columbia Engineering ได้สร้างชิปโฟโตนิกที่สามารถผลิตสัญญาณไมโครเวฟคุณภาพสูงและมีสัญญาณรบกวนต่ำเป็นพิเศษโดยใช้เลเซอร์เพียงตัวเดียว อุปกรณ์ขนาดกะทัดรัดซึ่งเป็นชิปขนาดเล็กมากจนสามารถวางบนปลายดินสอที่แหลมคมได้ ส่งผลให้เกิดสัญญาณรบกวนไมโครเวฟต่ำที่สุดเท่าที่เคยพบเห็นในแพลตฟอร์มโฟโตนิกส์แบบรวม
ความสำเร็จดังกล่าวเป็นแนวทางที่มีแนวโน้มไปสู่การผลิตไมโครเวฟที่มีสัญญาณรบกวนต่ำเป็นพิเศษสำหรับพื้นที่ขนาดเล็ก สำหรับการใช้งานต่างๆ เช่น การสื่อสารความเร็วสูง นาฬิกาอะตอม และยานพาหนะอัตโนมัติ
ความท้าทาย
อิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์สำหรับการนำทางทั่วโลก การสื่อสารไร้สาย เรดาร์ และการกำหนดเวลาที่แม่นยำ จำเป็นต้องมีแหล่งกำเนิดไมโครเวฟที่มีความเสถียรเพื่อทำหน้าที่เป็นนาฬิกาและพาหะข้อมูล สิ่งสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์เหล่านี้คือการลดเสียงรบกวนหรือความผันผวนของเฟสแบบสุ่มที่ปรากฏบนไมโครเวฟ
“ในทศวรรษที่ผ่านมา เทคนิคที่เรียกว่าการแบ่งความถี่แสงส่งผลให้สัญญาณไมโครเวฟรบกวนต่ำที่สุดเท่าที่เคยมีมา” Alexander Gaeta, David M. Rickey ศาสตราจารย์สาขาฟิสิกส์ประยุกต์และวัสดุศาสตร์ และศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าที่ วิศวกรรมศาสตร์โคลัมเบีย “โดยปกติแล้ว ระบบดังกล่าวต้องใช้เลเซอร์หลายตัวและมีปริมาตรค่อนข้างมากเพื่อบรรจุส่วนประกอบทั้งหมด”
การแบ่งความถี่แสง—วิธีการแปลงสัญญาณความถี่สูงให้เป็นความถี่ต่ำ—เป็นนวัตกรรมล่าสุดสำหรับการสร้างไมโครเวฟซึ่งสัญญาณรบกวนได้ถูกระงับอย่างรุนแรง อย่างไรก็ตาม พื้นที่วางบนโต๊ะขนาดใหญ่ทำให้ระบบดังกล่าวไม่สามารถใช้ประโยชน์จากการตรวจจับและการสื่อสารขนาดจิ๋วที่ต้องการแหล่งไมโครเวฟขนาดกะทัดรัดมากขึ้นและมีการนำไปใช้อย่างกว้างขวาง
“เราได้ค้นพบอุปกรณ์ที่สามารถแบ่งความถี่แสงทั้งหมดบนชิปในพื้นที่ขนาดเล็กเพียง 1 มม2 โดยใช้เลเซอร์เพียงตัวเดียว” Gaeta กล่าว “เราสาธิตเป็นครั้งแรกเกี่ยวกับกระบวนการแบ่งความถี่แสงโดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ทำให้การออกแบบอุปกรณ์ง่ายขึ้นมาก”
วิธีการ
กลุ่มของ Gaeta เชี่ยวชาญด้านโฟโตนิกควอนตัมและไม่เชิงเส้น หรือวิธีที่แสงเลเซอร์มีปฏิกิริยากับสสาร พื้นที่มุ่งเน้น ได้แก่ นาโนโฟโตนิกแบบไม่เชิงเส้น การสร้างหวีความถี่ ปฏิกิริยาพัลส์ที่เร็วมากเป็นพิเศษ และการสร้างและการประมวลผลสถานะควอนตัมของแสง
ในการศึกษาปัจจุบัน กลุ่มของเขาได้ออกแบบและสร้างอุปกรณ์ออปติคัลทั้งหมดบนชิปที่สร้างสัญญาณไมโครเวฟ 16 GHz พร้อมสัญญาณรบกวนความถี่ต่ำที่สุดเท่าที่เคยมีมาในแพลตฟอร์มชิปแบบรวม อุปกรณ์นี้ใช้ไมโครเรโซเนเตอร์สองตัวที่ทำจากซิลิคอนไนไตรด์ซึ่งเชื่อมต่อกันด้วยแสง
เลเซอร์ความถี่เดียวจะปั๊มไมโครเรโซเนเตอร์ทั้งสองตัว คลื่นหนึ่งใช้เพื่อสร้างออสซิลเลเตอร์แบบออปติคัลพาราเมตริก ซึ่งจะแปลงคลื่นอินพุตเป็นคลื่นเอาท์พุตสองคลื่น—คลื่นหนึ่งสูงกว่าและอีกคลื่นหนึ่งมีความถี่ต่ำกว่า ระยะห่างความถี่ของความถี่ใหม่ทั้งสองจะถูกปรับให้อยู่ในระบบเทราเฮิร์ตซ์ เนื่องจากความสัมพันธ์ทางควอนตัมของออสซิลเลเตอร์ เสียงของความแตกต่างของความถี่นี้อาจน้อยกว่าสัญญาณรบกวนของคลื่นเลเซอร์อินพุตหลายพันเท่า
ไมโครเรโซเนเตอร์ตัวที่สองได้รับการปรับเพื่อสร้างหวีความถี่แสงพร้อมระยะห่างของไมโครเวฟ แสงจำนวนเล็กน้อยจากออสซิลเลเตอร์จะถูกรวมเข้ากับเครื่องกำเนิดสัญญาณแบบหวี ซึ่งนำไปสู่การซิงโครไนซ์ความถี่ของหวีไมโครเวฟกับออสซิลเลเตอร์แบบเทราเฮิร์ตซ์ ซึ่งจะส่งผลให้เกิดการแบ่งความถี่แสงโดยอัตโนมัติ
ผลกระทบที่อาจเกิดขึ้น
งานจากกลุ่มของ Gaeta แสดงถึงแนวทางที่ง่ายและมีประสิทธิภาพในการแบ่งความถี่แสงภายในแพ็คเกจขนาดเล็ก ทนทาน และพกพาสะดวก การค้นพบนี้เปิดประตูให้กับอุปกรณ์ขนาดชิปที่สามารถสร้างสัญญาณไมโครเวฟที่เสถียรและบริสุทธิ์ เทียบได้กับอุปกรณ์ที่ผลิตในห้องปฏิบัติการที่ทำการวัดที่แม่นยำ
“ในที่สุดแล้ว การแบ่งความถี่แสงทั้งหมดประเภทนี้จะนำไปสู่การออกแบบอุปกรณ์โทรคมนาคมในอนาคตแบบใหม่” เขากล่าว “มันยังสามารถปรับปรุงความแม่นยำของเรดาร์ไมโครเวฟที่ใช้กับยานพาหนะที่เป็นอิสระได้”
Gaeta พร้อมด้วย Yun Zhao ซึ่งเป็นนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาและปัจจุบันเป็นนักศึกษาหลังปริญญาเอกใน Gaeta Lab และนักวิทยาศาสตร์การวิจัย Yoshitomo Okawachi ได้คิดแนวคิดหลักของโครงการนี้ จากนั้น Zhao และ post-doc Jae Jang ได้ออกแบบอุปกรณ์และทำการทดลอง
โครงการนี้ดำเนินการโดยความร่วมมืออย่างใกล้ชิดกับศาสตราจารย์ Michal Lipson ของ Columbia Engineering และกลุ่มของเธอ Karl McNulty จากกลุ่ม Lipson ประดิษฐ์ชิปโทนิคที่มหาวิทยาลัย Columbia และ Cornell TheTerremoto Shared High-Performance Computing Cluster ซึ่งเป็นบริการที่จัดทำโดย Columbia University Information เทคโนโลยี (CUIT) ถูกนำมาใช้ในการสร้างแบบจำลองคุณสมบัติทางเสียงของออสซิลเลเตอร์แบบออปติคอลพาราเมตริก