激光网3月21日消息，在一项新的《自然》研究中，哥伦比亚工程学院的研究人员构建了一种光子芯片，该芯片能够仅使用单个激光器产生高质量、超低噪声的微波信号。这种紧凑的器件——一个非常小的芯片，可以放在一个锋利的铅笔尖上——导致了集成光子学平台中观察到的最低微波噪声。
这一成果为高速通信、原子钟和自动驾驶汽车等应用的小尺寸超低噪声微波产生提供了一条有前途的途径。
用于全球导航、无线通信、雷达和精密授时的电子设备需要稳定的微波源作为时钟和信息载体。提高这些器件性能的一个关键方面是减少微波上存在的噪声或相位随机波动。
“在过去十年中，一种称为光频分频的技术产生了迄今为止产生的最低噪声微波信号，”哥伦比亚工程学院应用物理和材料科学David M. Rickey教授兼电气工程教授Alexander Gaeta说。“通常，这样的系统需要多个激光器和相对较大的体积来包含所有组件。
光分频是一种将高频信号转换为低频信号的方法，是最近用于产生微波的创新，其中噪声得到了强烈抑制。然而，由于桌面占用空间大，此类系统无法用于需要更紧凑的微波源并被广泛采用的小型化传感和通信应用。
“我们已经实现了一种能够在小至 1 mm2 的面积内完全在芯片上执行光分频的设备仅使用单个激光器，“加埃塔说。“我们首次演示了无需电子元件的光分频过程，大大简化了器件设计。”
Gaeta的团队专门研究量子和非线性光子学，或激光如何与物质相互作用。重点领域包括非线性纳米光子学、频率梳产生、强烈的超快脉冲相互作用以及光量子态的产生和处理。
在目前的研究中，他的团队设计并制造了一种片上全光器件，该器件可产生16 GHz微波信号，其频率噪声是集成芯片平台中有史以来最低的。该器件使用两个由氮化硅制成的微谐振器，它们光耦合在一起。
单频激光器泵浦两个微谐振器。一个用于创建光学参量振荡器，将输入波转换为两个输出波，一个频率较高，一个频率较低。两个新频率的频率间隔被调整为太赫兹。由于振荡器的量子相关性，这种频率差的噪声可能比输入激光波的噪声小数千倍。
调整第二个微谐振器以产生具有微波间距的光频率梳。然后，来自振荡器的少量光被耦合到梳状发生器，导致微波梳状频率与太赫兹振荡器同步，从而自动产生光分频。
Gaeta团队的工作代表了一种简单、有效的方法，可以在一个小型、坚固且高度便携的封装中执行光频分频。这些发现为芯片级设备打开了大门，这些设备可以产生稳定、纯净的微波信号，可与进行精确测量的实验室产生的信号相媲美。
“最终，这种类型的全光频率划分将导致未来电信设备的新设计，”他说。“它还可以提高用于自动驾驶汽车的微波雷达的精度。
Gaeta与Yun Zhao和研究科学家Yoshitomo Okawachi一起构思了该项目的核心思想。然后，Zhao和博士后Jae Jang设计了这些设备并进行了实验。
该项目是与哥伦比亚大学工程学教授Michal Lipson及其团队密切合作完成的。来自利普森小组的Karl McNulty在哥伦比亚大学和康奈尔大学制造了光子芯片。由哥伦比亚大学信息技术提供的Terremoto共享高性能计算集群服务用于对光学参量振荡器的噪声特性进行建模。
