光子學(xué)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(xiàng)新研究中，哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院的研究人員制造了一種光子芯片，該芯片僅使用單個(gè)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(yīng)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健o線通信、雷達(dá)和精確授時(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。提高這些器件性能的一個(gè)關(guān)鍵方面是減少微波爐上存在的噪聲或相位隨機(jī)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(xué)院應(yīng)用物理和材料科學(xué) 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(gè)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(qiáng)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(yīng)用。

Gaeta 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(shí)現(xiàn)的光分過程，大大簡化了器件設(shè)計(jì)。」

量子和非線性光子學(xué)：創(chuàng)新的核心

Gaeta 的團(tuán)隊(duì)專門研究量子和非線性光子學(xué)，或者激光如何與物質(zhì)相互作用。重點(diǎn)領(lǐng)域包括非線性納米光子學(xué)、頻率梳生成、強(qiáng)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(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)的最低頻率噪聲。該器件使用兩個(gè)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(gè)微諧振器。一個(gè)用于創(chuàng)建光學(xué)參量振蕩器，將輸入波轉(zhuǎn)換為兩個(gè)輸出波——一個(gè)頻率更高，一個(gè)頻率更低。兩個(gè)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(dǎo)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(yīng)用

Gaeta 團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的信號相當(dāng)。

「最終，這種類型的全光頻分將導(dǎo)致未來電信設(shè)備的新設(shè)計(jì)，」他說。「它還可以提高用于自動駕駛汽車的微波雷達(dá)的精度。

Gaeta 與 Yun Zhao（曾是研究生，現(xiàn)在是 Gaeta 實(shí)驗(yàn)室的博士后）和研究科學(xué)家 Yoshitomo Okawachi 一起構(gòu)思了該項(xiàng)目的核心思想。然后，Zhao 和博士后 Jae Jang 設(shè)計(jì)了這些設(shè)備并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

該項(xiàng)目是與電氣工程教授、應(yīng)用物理學(xué)教授尤金·希金斯（Eugene Higgins）和她的團(tuán)隊(duì)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(xué)和康奈爾大學(xué)制造了光子芯片。TheTerremoto Shared High-Performance Computing Cluster 是哥倫比亞大學(xué)信息技術(shù)（CUIT）提供的一項(xiàng)服務(wù)，用于模擬光學(xué)參量振蕩器的噪聲特性。