(Ειδήσεις Nanowerk) Σε ένα νέο Φύση μελέτη ("Διαίρεση όλων των οπτικών συχνοτήτων σε τσιπ με χρήση ενός μόνο λέιζερ"), Οι ερευνητές της Columbia Engineering κατασκεύασαν ένα φωτονικό τσιπ που είναι σε θέση να παράγει υψηλής ποιότητας σήματα μικροκυμάτων εξαιρετικά χαμηλού θορύβου χρησιμοποιώντας μόνο ένα λέιζερ. Η συμπαγής συσκευή - ένα τσιπ τόσο μικρό που θα μπορούσε να χωρέσει σε μια αιχμηρή αιχμή μολυβιού - έχει ως αποτέλεσμα τον χαμηλότερο θόρυβο μικροκυμάτων που έχει παρατηρηθεί ποτέ σε μια ενσωματωμένη πλατφόρμα φωτονικής. Το επίτευγμα παρέχει μια πολλά υποσχόμενη πορεία προς την παραγωγή μικροκυμάτων μικροκυμάτων μικρού μήκους εξαιρετικά χαμηλού θορύβου για εφαρμογές όπως η επικοινωνία υψηλής ταχύτητας, τα ατομικά ρολόγια και τα αυτόνομα οχήματα.
Ένα σχηματικό υψηλού επιπέδου του φωτονικού ολοκληρωμένου τσιπ, που αναπτύχθηκε από το εργαστήριο Gaeta, για διαίρεση οπτικών συχνοτήτων εξ ολοκλήρου ή OFD - μια μέθοδος μετατροπής ενός σήματος υψηλής συχνότητας σε χαμηλότερη συχνότητα. (Εικόνα: Yun Zhao, Columbia Engineering)
Η πρόκληση
Οι ηλεκτρονικές συσκευές για παγκόσμια πλοήγηση, ασύρματες επικοινωνίες, ραντάρ και χρονισμό ακριβείας χρειάζονται σταθερές πηγές μικροκυμάτων για να λειτουργήσουν ως ρολόγια και φορείς πληροφοριών. Μια βασική πτυχή για την αύξηση της απόδοσης αυτών των συσκευών είναι η μείωση του θορύβου ή των τυχαίων διακυμάνσεων της φάσης που υπάρχουν στον φούρνο μικροκυμάτων. «Την περασμένη δεκαετία, μια τεχνική γνωστή ως διαίρεση οπτικών συχνοτήτων είχε ως αποτέλεσμα τα σήματα μικροκυμάτων χαμηλότερου θορύβου που έχουν δημιουργηθεί μέχρι σήμερα», δήλωσε ο Alexander Gaeta, καθηγητής Εφαρμοσμένης Φυσικής και Επιστήμης Υλικών David M. Rickey και καθηγητής ηλεκτρολογίας στο Columbia Engineering. «Τυπικά, ένα τέτοιο σύστημα απαιτεί πολλαπλά λέιζερ και σχετικά μεγάλο όγκο για να περιέχει όλα τα εξαρτήματα». Η διαίρεση οπτικών συχνοτήτων – μια μέθοδος μετατροπής ενός σήματος υψηλής συχνότητας σε χαμηλότερη συχνότητα – είναι μια πρόσφατη καινοτομία για τη δημιουργία μικροκυμάτων στα οποία ο θόρυβος έχει καταστείλει έντονα. Ωστόσο, ένα μεγάλο αποτύπωμα σε επιτραπέζιο επίπεδο αποτρέπει τη χρήση τέτοιων συστημάτων για μικροσκοπικές εφαρμογές ανίχνευσης και επικοινωνίας που απαιτούν πιο συμπαγείς πηγές μικροκυμάτων και υιοθετούνται ευρέως. "Έχουμε συνειδητοποιήσει μια συσκευή που είναι σε θέση να εκτελεί οπτική διαίρεση συχνότητας εξ ολοκλήρου σε ένα τσιπ σε μια περιοχή τόσο μικρή όσο 1 mm2 χρησιμοποιώντας μόνο ένα λέιζερ", δήλωσε ο Gaeta. «Δείχνουμε για πρώτη φορά τη διαδικασία της διαίρεσης οπτικών συχνοτήτων χωρίς την ανάγκη ηλεκτρονικών, απλοποιώντας σημαντικά τη σχεδίαση της συσκευής».
Η προσέγγιση
Η ομάδα του Gaeta ειδικεύεται στην κβαντική και μη γραμμική φωτονική, ή στο πώς το φως λέιζερ αλληλεπιδρά με την ύλη. Οι περιοχές εστίασης περιλαμβάνουν μη γραμμικές νανοφωτονικά, δημιουργία χτένας συχνότητας, έντονες αλληλεπιδράσεις υπερταχέων παλμών και δημιουργία και επεξεργασία κβαντικών καταστάσεων φωτός. Στην τρέχουσα μελέτη, η ομάδα του σχεδίασε και κατασκεύασε μια on-chip, πλήρως οπτική συσκευή που παράγει ένα σήμα μικροκυμάτων 16 GHz με τον χαμηλότερο θόρυβο συχνότητας που έχει επιτευχθεί ποτέ σε μια ενσωματωμένη πλατφόρμα τσιπ. Η συσκευή χρησιμοποιεί δύο μικροσυντονιστές από νιτρίδιο του πυριτίου που συνδέονται φωτονικά μεταξύ τους. Ένα λέιζερ μίας συχνότητας αντλεί και τους δύο μικροσυντονιστές. Το ένα χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ενός οπτικού παραμετρικού ταλαντωτή, ο οποίος μετατρέπει το κύμα εισόδου σε δύο κύματα εξόδου – ένα υψηλότερο και ένα χαμηλότερο σε συχνότητα. Η απόσταση συχνοτήτων των δύο νέων συχνοτήτων έχει προσαρμοστεί ώστε να είναι στο καθεστώς terahertz. Ως αποτέλεσμα των κβαντικών συσχετισμών του ταλαντωτή, ο θόρυβος αυτής της διαφοράς συχνότητας μπορεί να είναι χιλιάδες φορές μικρότερος από τον θόρυβο του κύματος λέιζερ εισόδου. Ο δεύτερος μικροσυντονιστής ρυθμίζεται ώστε να δημιουργεί μια χτένα οπτικής συχνότητας με απόσταση μικροκυμάτων. Στη συνέχεια, μια μικρή ποσότητα φωτός από τον ταλαντωτή συνδέεται με τη γεννήτρια χτένας, οδηγώντας σε συγχρονισμό της συχνότητας χτένας μικροκυμάτων με τον ταλαντωτή terahertz που οδηγεί αυτόματα σε διαίρεση οπτικής συχνότητας.Πιθανές επιπτώσεις
Η εργασία από την ομάδα της Gaeta αντιπροσωπεύει μια απλή, αποτελεσματική προσέγγιση για την εκτέλεση διαίρεσης οπτικών συχνοτήτων μέσα σε ένα μικρό, στιβαρό και εξαιρετικά φορητό πακέτο. Τα ευρήματα ανοίγουν την πόρτα για συσκευές κλίμακας τσιπ που μπορούν να παράγουν σταθερά, καθαρά σήματα μικροκυμάτων συγκρίσιμα με εκείνα που παράγονται σε εργαστήρια που εκτελούν μετρήσεις ακριβείας. «Τελικά, αυτός ο τύπος διαίρεσης όλων των οπτικών συχνοτήτων θα οδηγήσει σε νέα σχέδια μελλοντικών τηλεπικοινωνιακών συσκευών», είπε. «Θα μπορούσε επίσης να βελτιώσει την ακρίβεια των ραντάρ μικροκυμάτων που χρησιμοποιούνται για αυτόνομα οχήματα».Η ομάδα
Ο Gaeta, μαζί με τον Yun Zhao — ο οποίος ήταν μεταπτυχιακός φοιτητής και τώρα είναι μεταδιδακτορικός στο Gaeta Lab — και ο ερευνητής Yoshitomo Okawachi, συνέλαβαν τη βασική ιδέα του έργου. Στη συνέχεια, ο Zhao και ο μεταδιδακτορικός Jae Jang σχεδίασαν τις συσκευές και πραγματοποίησαν το πείραμα. Το έργο έγινε σε στενή συνεργασία με τον καθηγητή Μηχανικών της Κολούμπια, Michal Lipson και την ομάδα της. Ο Karl McNulty από τον όμιλο Lipson κατασκεύασε το φωτονικό τσιπ τόσο στο Πανεπιστήμιο Columbia όσο και στο Cornell. Το TheTerremoto Shared High-Performance Computing Cluster, μια υπηρεσία που παρέχεται από το Columbia University Information Technology (CUIT), χρησιμοποιήθηκε για τη μοντελοποίηση των ιδιοτήτων θορύβου των οπτικών παραμετρικών ταλαντωτών.- SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
- πηγή: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64882.php
