《自然》網(wǎng)站上報(bào)道了一項(xiàng)新研究，哥倫比亞工程研究人員構(gòu)建了一種光子芯片，該芯片僅使用單一激光器就能產(chǎn)生高質(zhì)量、超低噪聲的微波信號(hào)。這種緊湊型設(shè)備——一種小到可以放在鉛筆尖上的芯片——在集成光子平臺(tái)中產(chǎn)生了有史以來最低的微波噪聲。

這一成就為高速通信、原子鐘和自動(dòng)駕駛汽車等應(yīng)用提供了小尺寸超低噪聲微波生成的有前景的途徑。

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光子集成芯片的原理圖

挑戰(zhàn)

用于全球?qū)Ш�、無線通信、雷達(dá)和精確計(jì)時(shí)的電子設(shè)備需要穩(wěn)定的微波源作為時(shí)鐘和信息載體。提高這些設(shè)備性能的一個(gè)關(guān)鍵方面是降低微波中的噪聲或相位隨機(jī)波動(dòng)。

哥倫比亞大學(xué)工程與應(yīng)用物理和材料科學(xué)教授、電氣工程教授亞歷山大·加埃塔說：“在過去十年中，一種稱為光頻分的技術(shù)產(chǎn)生了迄今為止最低噪聲的微波信號(hào)。通常，這樣的系統(tǒng)需要多個(gè)激光器和相對(duì)較大的體積來容納所有組件�！�

光頻分是一種將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為低頻信號(hào)的方法，是最近用于產(chǎn)生微波的創(chuàng)新，其中噪聲得到了強(qiáng)烈抑制。然而，大型臺(tái)式足跡阻礙了此類系統(tǒng)用于需要更緊湊微波源并被廣泛采用的小型化傳感和通信應(yīng)用。

蓋塔說：“我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一種器件，它能夠僅使用單個(gè)激光器在1平方毫米的面積上完全在芯片上進(jìn)行光頻分。我們首次證明了無需電子器件的光頻分過程，大大簡(jiǎn)化了器件設(shè)計(jì)�！�

方法

Gaeta的團(tuán)隊(duì)專門研究量子和非線性光子學(xué)，或激光如何與物質(zhì)相互作用。重點(diǎn)領(lǐng)域包括非線性納米光子學(xué)、頻率梳產(chǎn)生、強(qiáng)超快脈沖相互作用以及光量子態(tài)的產(chǎn)生和處理。

在當(dāng)前的研究中，他的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制造了一種片上全光器件，該器件在集成芯片平臺(tái)上產(chǎn)生了迄今為止最低頻率噪聲的16-GHz微波信號(hào)。該器件使用兩個(gè)由氮化硅制成的微諧振器，它們以光子方式耦合在一起。

單頻激光器同時(shí)泵浦兩個(gè)微諧振器。一個(gè)用于創(chuàng)建光參量振蕩器，將輸入波轉(zhuǎn)換為兩個(gè)輸出波——一個(gè)頻率較高，一個(gè)頻率較低。兩個(gè)新頻率的頻率間隔被調(diào)整到太赫茲范圍。由于振蕩器的量子相關(guān)性，該頻率差的噪聲可以比輸入激光波的噪聲低數(shù)千倍。

調(diào)節(jié)第二個(gè)微諧振器，以產(chǎn)生具有微波間距的光頻梳。然后將來自振蕩器的一小部分光耦合到梳發(fā)生器，使微波梳頻率與太赫茲振蕩器同步，從而自動(dòng)產(chǎn)生光頻分。

潛在影響

加埃塔團(tuán)隊(duì)的工作代表了一種簡(jiǎn)單有效的方法，可以在一個(gè)小巧、堅(jiān)固、高度便攜的封裝內(nèi)進(jìn)行光頻分。這些發(fā)現(xiàn)為芯片級(jí)設(shè)備打開了大門，這些設(shè)備可以產(chǎn)生穩(wěn)定的、純凈的微波信號(hào)，與實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的精密測(cè)量產(chǎn)生的信號(hào)相當(dāng)。

他說：“最終，這種全光頻分技術(shù)將引領(lǐng)未來通信設(shè)備的新設(shè)計(jì)。它還可以提高用于自動(dòng)駕駛汽車的微波雷達(dá)的精度。”

Gaeta和Yun Zhao-who是研究生，現(xiàn)在是Gaeta實(shí)驗(yàn)室的博士后，研究科學(xué)家Okawachi Yoshitomo共同構(gòu)思了該項(xiàng)目的核心理念。然后，Zhao和博士后Jae Jang設(shè)計(jì)了裝置并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

該項(xiàng)目是與哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)教授米夏爾·利普森及其團(tuán)隊(duì)密切合作完成的。利普森團(tuán)隊(duì)的卡爾·麥克納爾蒂在哥倫比亞大學(xué)和康奈爾大學(xué)制造了光子芯片。哥倫比亞大學(xué)信息技術(shù)中心提供的服務(wù)“Terremoto共享高性能計(jì)算集群”用于模擬光參量振蕩器的噪聲特性。

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論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41586-024-07136-2