光子學突破：微型芯片產(chǎn)生高質(zhì)量微波信號

在《自然》雜志的一項新研究中，哥倫比亞大學工程學院的研究人員制造了一種光子芯片，該芯片僅使用單個激光器即可產(chǎn)生高質(zhì)量、超低噪聲的微波信號。這種緊湊的器件非常小，可以安裝在鋒利的鉛筆尖上。這一成就為高速通信、原子鐘和自動駕駛汽車等應用提供了一條小尺寸超低噪聲微波發(fā)電的有希望的途徑。

微波產(chǎn)生中噪聲的挑戰(zhàn)

用于全球?qū)Ш?、無線通信、雷達和精確授時的電子設(shè)備需要穩(wěn)定的微波源作為時鐘和信息載體。提高這些器件性能的一個關(guān)鍵方面是減少微波爐上存在的噪聲或相位隨機波動。

「在過去的 10 年中，一種稱為光頻分的技術(shù)產(chǎn)生了迄今為止產(chǎn)生的最低噪聲微波信號，」哥倫比亞工程學院應用物理和材料科學 David M. Rickey 教授兼電氣工程教授 Alexander Gaeta 說：「通常，這樣的系統(tǒng)需要多個激光器和相對較大的體積來包含所有組件?！?/p>

光頻分是一種將高頻信號轉(zhuǎn)換為低頻的方法，是產(chǎn)生微波的最新創(chuàng)新，其中噪聲已被強烈抑制。然而，較大的桌面級占用空間使此類系統(tǒng)無法用于需要更緊湊的微波源并被廣泛采用的小型化傳感和通信應用。

Gaeta 說：「我們已經(jīng)實現(xiàn)了一種器件，它能夠僅使用單個激光器在小至 1 mm2 的面積內(nèi)完全在芯片上執(zhí)行光分頻。我們首次演示了無需電子設(shè)備即可實現(xiàn)的光分過程，大大簡化了器件設(shè)計。」

量子和非線性光子學：創(chuàng)新的核心

Gaeta 的團隊專門研究量子和非線性光子學，或者激光如何與物質(zhì)相互作用。重點領(lǐng)域包括非線性納米光子學、頻率梳生成、強烈的超快脈沖相互作用以及光量子態(tài)的生成和處理。

在目前的研究中，他的團隊設(shè)計并制造了一種片上全光器件，該器件可產(chǎn)生 16 GHz 微波信號，其頻率噪聲是集成芯片平臺中有史以來實現(xiàn)的最低頻率噪聲。該器件使用兩個由氮化硅制成的微諧振器，它們通過光子耦合在一起。

單頻激光器泵浦兩個微諧振器。一個用于創(chuàng)建光學參量振蕩器，將輸入波轉(zhuǎn)換為兩個輸出波——一個頻率更高，一個頻率更低。兩個新頻率的頻率間隔被調(diào)整為太赫茲范圍。由于振蕩器的量子相關(guān)性，這種頻率差的噪聲可能比輸入激光波的噪聲小數(shù)千倍。

調(diào)整第二微諧振器以產(chǎn)生具有微波間隔的光頻率梳。然后，來自振蕩器的少量光耦合到梳狀發(fā)生器，導致微波梳狀頻率與太赫茲振蕩器同步，從而自動產(chǎn)生光分頻。

潛在影響和未來應用

Gaeta 團隊的工作代表了一種簡單有效的方法，用于在小型，穩(wěn)健且高度便攜的封裝中執(zhí)行光頻分。這些發(fā)現(xiàn)為芯片級設(shè)備打開了大門，這些設(shè)備可以產(chǎn)生穩(wěn)定、純凈的微波信號，與執(zhí)行精密測量的實驗室產(chǎn)生的信號相當。

「最終，這種類型的全光頻分將導致未來電信設(shè)備的新設(shè)計，」他說?！杆€可以提高用于自動駕駛汽車的微波雷達的精度。

Gaeta 與 Yun Zhao（曾是研究生，現(xiàn)在是 Gaeta 實驗室的博士后）和研究科學家 Yoshitomo Okawachi 一起構(gòu)思了該項目的核心思想。然后，Zhao 和博士后 Jae Jang 設(shè)計了這些設(shè)備并進行了實驗。

該項目是與電氣工程教授、應用物理學教授尤金·希金斯（Eugene Higgins）和她的團隊密切合作完成的。來自利普森小組的卡爾·麥克納爾蒂（Karl McNulty）在哥倫比亞大學和康奈爾大學制造了光子芯片。TheTerremoto Shared High-Performance Computing Cluster 是哥倫比亞大學信息技術(shù)（CUIT）提供的一項服務，用于模擬光學參量振蕩器的噪聲特性。