Onderzoekers van EPFL's Photonics Systems Lab hebben een manier bedacht om microgolffotonische filters opnieuw te configureren zonder dat er een extern apparaat nodig is. Dit maakt de weg vrij voor compactere, milieuvriendelijke filters die praktischer en goedkoper in gebruik zijn. Mogelijke toepassingen zijn onder meer detectie- en communicatiesystemen. De bevindingen van de onderzoekers zijn onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Fotonen lijken klaar om elektronen te vervangen bij talloze taken, omdat ze sneller bewegen en minder energie verbruiken. Deze kleine lichtdeeltjes hebben ook het extra voordeel dat ze verrassend flexibel zijn:hun frequentiebereik is 1, 000 tot 10, 000 keer groter dan die van elektronen. Dus het gebruik van licht in plaats van elektriciteit om microgolven te manipuleren geeft je een veel grotere bandbreedte om mee te werken. Fotonica komt vooral van pas in communicatiesystemen, het internet der dingen en beamforming, wat een signaalverwerkingsmethode is die in antennesystemen wordt gebruikt. Maar voorlopig, microgolffotonische systemen kunnen nog steeds geen lichtpulsen genereren op computerchips - een ontwikkeling die de chips milieuvriendelijker zou maken, goedkoper en praktischer in gebruik. Onderzoekers van EPFL's Photonics Systems Lab hebben zojuist een grote doorbraak bereikt op dit gebied:ze hebben herconfigureerbare radiofrequentiefilters ontwikkeld die hoogwaardige microgolven kunnen produceren zonder dat er een omvangrijk extern apparaat nodig is. Door interferentie te creëren tussen twee pulsen binnen een microkam, ze waren in staat om de pulsen nauwkeurig te regelen om de uitgaande radiofrequentie opnieuw te configureren. De bevindingen van de onderzoekers zijn onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Een lichtbron integreren in een chip

Een microgolffotonisch filter zet een binnenkomende radiofrequentie om in een optisch signaal dat vervolgens door een fotonisch apparaat kan worden verwerkt om informatie te extraheren. Een fotoreceptor zet het signaal dan weer om in een radiofrequentie. Terug in april, onderzoekers in een ander EPFL-laboratorium, het K-Lab, erin geslaagd om verschillende soorten microkammen te genereren op een siliciumnitride-chip, om solitonpulssignalen van hoge kwaliteit te produceren. Het enige dat restte was aan te tonen dat de pulssignalen konden worden gebruikt om de microgolven opnieuw te configureren en dat het systeem net zo flexibel was, lineair, spectraal zuiver en ruisvrij als de vorige, meer omvangrijke apparaten - precies waar de onderzoekers in het Photonics Systems Lab de chip voor hebben geoptimaliseerd.

De technologie die in deze chips wordt gebruikt, die kleiner zijn dan een munt, is gebaseerd op hoe licht interageert met de omgeving. De golflengte van het signaal kan worden gewijzigd door de lichtbron te variëren of door de vorm of het materiaal van het optische kanaal waar het doorheen gaat te veranderen. "Door een lichtbron te gebruiken die verschillende golflengten kan combineren, kunnen we de structuur van het filter vrij eenvoudig houden, " legt Camille Brès uit, die het Photonics Systems Lab runt. "Als we de frequentie kunnen herconfigureren door de lichtpuls te veranderen, we hoeven de fysieke ondersteuning niet te veranderen." De belangrijkste prestatie van de onderzoekers was dat ze de lichtgeneratoren ter grootte van een laptop konden vervangen door miniatuur optische resonatoren op de chip die laserpulsen gebruiken om perfecte solitonen te genereren.

De uitgaande frequentie wijzigen

Om deze filters in verschillende toepassingen te kunnen gebruiken, ze moeten ook in staat zijn om de uitgaande radiofrequentie te wijzigen. "Huidige filters vereisen programmeerbare pulsvormen om de uitgaande frequentie in te stellen en de golfkwaliteit te verbeteren, waardoor de systemen complex en moeilijk op de markt te brengen zijn, " zegt Jianqi Hu, een doctoraat student in het Photonics Systems Lab en de hoofdauteur van de studie. Om dit obstakel te overwinnen, de onderzoekers genereerden on-chip interferentie tussen twee solitons - door de hoek ertussen te wijzigen, ze waren in staat om de filterfrequentie opnieuw te configureren. Deze doorbraak betekent dat deze systemen volledig draagbaar kunnen worden gemaakt en kunnen worden gebruikt met 5G- en terahertz-golven.