I en ny Natur Forskare från Columbia Engineering har byggt ett fotoniskt chip som kan producera högkvalitativa mikrovågssignaler med ultralågt brus med endast en enda laser. Den kompakta enheten – ett chip så litet att det skulle kunna passa på en vass pennspets – resulterar i det lägsta mikrovågsljud som någonsin observerats i en integrerad fotonikplattform.
Prestationen ger en lovande väg mot mikrovågsgenerering med ultralågt ljud med liten yta för applikationer som höghastighetskommunikation, atomklockor och autonoma fordon.
Elektroniska enheter för global navigering, trådlös kommunikation, radar och precisionstid behöver stabila mikrovågskällor för att fungera som klockor och informationsbärare. En nyckelaspekt för att öka prestandan hos dessa enheter är att minska bruset, eller slumpmässiga fasfluktuationer, som finns i mikrovågsugnen.
"Under det senaste decenniet har en teknik som kallas optisk frekvensdelning resulterat i de mikrovågssignaler med lägst brus som har genererats hittills", säger Alexander Gaeta, David M. Rickey professor i tillämpad fysik och materialvetenskap och professor i elektroteknik vid Columbia Engineering. "Vanligtvis kräver ett sådant system flera lasrar och en relativt stor volym för att innehålla alla komponenter."
Optisk frekvensdelning – en metod för att omvandla en högfrekvent signal till en lägre frekvens – är en ny innovation för att generera mikrovågor där bruset har undertryckts kraftigt. Ett stort fotavtryck på bordsnivå förhindrar dock att sådana system utnyttjas för miniatyriserade avkännings- och kommunikationsapplikationer som kräver mer kompakta mikrovågskällor och som är allmänt använda.
"Vi har realiserat en enhet som kan utföra optisk frekvensdelning helt och hållet på ett chip i ett område så litet som 1 mm 2 med bara en enda laser", sa Gaeta. "Vi demonstrerar för första gången processen med optisk frekvensdelning utan behov av elektronik, vilket avsevärt förenklar enhetens design."
Gaetas grupp är specialiserad på kvant- och olinjär fotonik, eller hur laserljus interagerar med materia. Fokusområden inkluderar icke-linjär nanofotonik, generering av frekvenskam, intensiva ultrasnabba pulsinteraktioner och generering och bearbetning av kvanttillstånd av ljus.
I den aktuella studien designade och tillverkade hans grupp en on-chip, helt optisk enhet som genererar en 16 GHz mikrovågssignal med det lägsta frekvensbrus som någonsin har uppnåtts i en integrerad chipplattform. Enheten använder två mikroresonatorer gjorda av kiselnitrid som är fotoniskt sammankopplade.
En enkelfrekvenslaser pumpar båda mikroresonatorerna. Den ena används för att skapa en optisk parametrisk oscillator, som omvandlar ingångsvågen till två utgångsvågor - en högre och en lägre i frekvens. Frekvensavståndet mellan de två nya frekvenserna justeras för att vara i terahertz-regimen. Som ett resultat av kvantkorrelationerna hos oscillatorn kan bruset för denna frekvensskillnad vara tusentals gånger mindre än bruset från den ingående laservågen.
Den andra mikroresonatorn justeras för att generera en optisk frekvenskam med ett mikrovågsavstånd. En liten mängd ljus från oscillatorn kopplas sedan till kamgeneratorn, vilket leder till synkronisering av mikrovågskamfrekvensen till terahertzoscillatorn som automatiskt resulterar i optisk frekvensdelning.
Arbetet från Gaetas grupp representerar en enkel, effektiv metod för att utföra optisk frekvensdelning i ett litet, robust och mycket portabelt paket. Fynden öppnar dörren för chip-skala enheter som kan generera stabila, rena mikrovågssignaler jämförbara med de som produceras i laboratorier som utför precisionsmätningar.
"Så småningom kommer den här typen av helt optisk frekvensuppdelning att leda till nya konstruktioner av framtida telekommunikationsenheter", sa han. "Det kan också förbättra precisionen hos mikrovågsradarer som används för autonoma fordon."
Gaeta, tillsammans med Yun Zhao – som var doktorand och nu är post-doc i Gaeta Lab – och forskaren Yoshitomo Okawachi, tänkte på projektets kärnidé. Sedan designade Zhao och post-doc Jae Jang enheterna och utförde experimentet.
Projektet gjordes i nära samarbete med Columbia Engineering professor Michal Lipson och hennes grupp. Karl McNulty från Lipson-gruppen tillverkade fotonchippet vid både Columbia och Cornell University. TheTerremoto Shared High-Performance Computing Cluster, en tjänst som tillhandahålls av Columbia University Information Technology (CUIT), användes för att modellera brusegenskaperna hos optiska parametriska oscillatorer.
Mer information: Yun Zhao et al, Alloptisk frekvensdelning på chipet med en enda laser, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07136-2
Tillhandahålls av Columbia University School of Engineering and Applied Science
