In een nieuwe Natuur Onderzoekers van Columbia Engineering hebben een fotonische chip gebouwd die in staat is hoogwaardige microgolfsignalen met ultralage ruis te produceren met behulp van slechts één enkele laser. Het compacte apparaat – een chip die zo klein is dat hij op een scherpe potloodpunt zou kunnen passen – resulteert in de laagste microgolfruis ooit waargenomen in een geïntegreerd fotonicaplatform.

Deze prestatie biedt een veelbelovende route naar ultra-low-noise microgolfopwekking met een kleine footprint voor toepassingen zoals hogesnelheidscommunicatie, atoomklokken en autonome voertuigen.

De uitdaging

Elektronische apparaten voor mondiale navigatie, draadloze communicatie, radar en nauwkeurige timing hebben stabiele microgolfbronnen nodig om als klokken en informatiedragers te dienen. Een belangrijk aspect bij het verbeteren van de prestaties van deze apparaten is het verminderen van de ruis, of willekeurige faseschommelingen, die aanwezig zijn op de magnetron.

"In het afgelopen decennium heeft een techniek die bekend staat als optische frequentieverdeling geresulteerd in microgolfsignalen met de laagste ruis die tot nu toe zijn gegenereerd", zegt Alexander Gaeta, David M. Rickey, hoogleraar Toegepaste Natuurkunde en Materiaalwetenschappen en hoogleraar elektrotechniek aan de Universiteit van Californië. Columbia Techniek. "Normaal gesproken vereist een dergelijk systeem meerdere lasers en een relatief groot volume om alle componenten te bevatten."

Optische frequentieverdeling – een methode om een ​​hoogfrequent signaal naar een lagere frequentie om te zetten – is een recente innovatie voor het genereren van microgolven waarbij de ruis sterk is onderdrukt. De grote voetafdruk op tafelniveau verhindert echter dat dergelijke systemen worden ingezet voor geminiaturiseerde detectie- en communicatietoepassingen die compactere microgolfbronnen vereisen en breed worden toegepast.

"We hebben een apparaat gerealiseerd dat optische frequentieverdeling volledig op een chip kan uitvoeren in een gebied zo klein als 1 mm ² met slechts één enkele laser", zegt Gaeta. "We demonstreren voor het eerst het proces van optische frequentiedeling zonder de noodzaak van elektronica, waardoor het ontwerp van het apparaat aanzienlijk wordt vereenvoudigd."

De aanpak

Gaeta's groep is gespecialiseerd in kwantum- en niet-lineaire fotonica, of hoe laserlicht interageert met materie. Aandachtsgebieden zijn onder meer niet-lineaire nanofotonica, het genereren van frequentiekammen, intense ultrasnelle pulsinteracties en het genereren en verwerken van kwantumtoestanden van licht.

In het huidige onderzoek ontwierp en vervaardigde zijn groep een volledig optisch apparaat op de chip dat een 16 GHz microgolfsignaal genereert met de laagste frequentieruis die ooit is bereikt in een geïntegreerd chipplatform. Het apparaat maakt gebruik van twee microresonatoren gemaakt van siliciumnitride die fotonisch met elkaar zijn gekoppeld.

Een laser met één frequentie pompt beide microresonatoren. Eén wordt gebruikt om een ​​optische parametrische oscillator te creëren, die de ingangsgolf omzet in twee uitgangsgolven:één met een hogere en één met een lagere frequentie. De frequentieafstand van de twee nieuwe frequenties wordt aangepast zodat deze in het terahertz-regime valt. Als resultaat van de kwantumcorrelaties van de oscillator kan de ruis van dit frequentieverschil duizenden malen minder zijn dan de ruis van de ingangslasergolf.

De tweede microresonator wordt aangepast om een ​​optische frequentiekam met een microgolfafstand te genereren. Een kleine hoeveelheid licht van de oscillator wordt vervolgens gekoppeld aan de kamgenerator, wat leidt tot synchronisatie van de microgolfkamfrequentie met de terahertz-oscillator, wat automatisch resulteert in optische frequentiedeling.

Potentiële impact

Het werk van Gaeta's groep vertegenwoordigt een eenvoudige, effectieve aanpak voor het uitvoeren van optische frequentiedeling binnen een klein, robuust en zeer draagbaar pakket. De bevindingen openen de deur voor apparaten op chipschaal die stabiele, zuivere microgolfsignalen kunnen genereren die vergelijkbaar zijn met de signalen die worden geproduceerd in laboratoria die precisiemetingen uitvoeren.

"Uiteindelijk zal dit soort volledig optische frequentieverdeling leiden tot nieuwe ontwerpen van toekomstige telecommunicatieapparatuur", zei hij. "Het zou ook de precisie kunnen verbeteren van microgolfradars die worden gebruikt voor autonome voertuigen."

Gaeta bedacht samen met Yun Zhao – een afgestudeerde student en nu postdoc in het Gaeta Lab – en onderzoekswetenschapper Yoshitomo Okawachi het kernidee van het project. Vervolgens ontwierpen Zhao en postdoc Jae Jang de apparaten en voerden het experiment uit.

Het project werd uitgevoerd in nauwe samenwerking met Columbia Engineering-professor Michal Lipson en haar groep. Karl McNulty van de Lipson-groep vervaardigde de fotonische chip aan zowel Columbia als Cornell University. Het Terremoto Shared High-Performance Computing Cluster, een dienst aangeboden door Columbia University Information Technology (CUIT), werd gebruikt om de ruiseigenschappen van optische parametrische oscillatoren te modelleren.

Meer informatie: Yun Zhao et al., Volledig optische frequentieverdeling op de chip met behulp van een enkele laser, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07136-2

Aangeboden door Columbia University School of Engineering and Applied Science