由微型光子芯片产生的高质量微波信号

在《自然》杂志的一项新研究中，哥伦比亚工程学院的研究人员构建了一种光子芯片，能够仅使用单个激光产生高质量、超低噪声的微波信号。这种紧凑的设备——芯片很小，可以安装在锋利的铅笔尖上——产生了集成光子平台中迄今为止观察到的最低微波噪声。

这一成就为高速通信、原子钟和自动驾驶汽车等应用提供了一条小足迹超低噪声微波产生的有前途的途径。

挑战

用于全球导航、无线通信、雷达和精确授时的电子设备需要稳定的微波源作为时钟和信息载体。提高这些设备性能的一个关键方面是减少微波中存在的噪声或相位随机波动。

“在过去的十年中，一种被称为光分频的技术产生了迄今为止生成的噪声最低的微波信号，”应用物理和材料科学教授兼电气工程教授DavidM.Rickey的AlexanderGaeta说。哥伦比亚工程公司。“通常，这样的系统需要多个激光器和相对较大的体积来容纳所有组件。”

光分频(一种将高频信号转换为低频信号的方法)是产生微波的最新创新，其中噪声已被强烈抑制。然而，较大的桌面级占地面积阻碍了此类系统被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。

Gaeta说：“我们已经实现了一种设备，能够仅使用单个激光器在小至1mm2的区域内完全在芯片上执行光学频分。”“我们首次演示了无需电子器件的光学分频过程，大大简化了设备设计。”

该方法

加埃塔的团队专门研究量子和非线性光子学，或者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、频率梳生成、强超快脉冲相互作用以及光量子态的生成和处理。

在当前的研究中，他的团队设计并制造了一种片上全光学器件，该器件可生成16GHz微波信号，其频率噪声是集成芯片平台有史以来实现的最低频率噪声。该设备使用两个由氮化硅制成的微谐振器，它们通过光子耦合在一起。

单频激光泵浦两个微谐振器。其中一种用于创建光学参量振荡器，它将输入波转换为两种输出波——一种频率较高，一种频率较低。两个新频率的频率间隔被调整到太赫兹范围内。由于振荡器的量子相关性，该频率差的噪声可以比输入激光波的噪声小数千倍。

调整第二微谐振器以产生具有微波间隔的光学频率梳。然后来自振荡器的少量光耦合到梳状发生器，导致微波梳频率与太赫兹振荡器同步，从而自动产生光学分频。

潜在影响

Gaeta小组的工作代表了一种简单、有效的方法，可在小型、坚固且高度便携的封装内执行光分频。这些发现为芯片级设备打开了大门，这些设备可以产生与执行精密测量的实验室产生的信号相当的稳定、纯净的微波信号。

“最终，这种类型的全光频分将带来未来电信设备的新设计，”他说。“它还可以提高自动驾驶汽车使用的微波雷达的精度。”

Gaeta与赵云(曾是Gaeta实验室的研究生，现在是Gaeta实验室的博士后)以及研究科学家YoshitomoOkawachi一起构想了该项目的核心理念。然后，赵和博士后JaeJang设计了设备并进行了实验。

该项目是与哥伦比亚大学工程学教授MichalLipson及其团队密切合作完成的。利普森小组的卡尔·麦克纳尔蒂在哥伦比亚大学和康奈尔大学制造了光子芯片。Terremoto共享高性能计算集群是哥伦比亚大学信息技术(CUIT)提供的一项服务，用于对光学参量振荡器的噪声特性进行建模。