(Nanowerk Nyheter) I en ny Natur studere ("All-optisk frekvensdeling på brikken ved bruk av en enkelt laser"), Columbia Engineering-forskere har bygget en fotonisk brikke som er i stand til å produsere høykvalitets mikrobølgesignaler med ultralav støy ved bruk av bare en enkelt laser. Den kompakte enheten - en brikke så liten at den kan passe på en skarp blyantspiss - resulterer i den laveste mikrobølgestøyen som noen gang er observert i en integrert fotonikkplattform. Prestasjonen gir en lovende vei mot ultra-lavstøygenerering av mikrobølger med lite fotavtrykk for applikasjoner som høyhastighetskommunikasjon, atomklokker og autonome kjøretøy.
Et høynivåskjema av den fotoniske integrerte brikken, utviklet av Gaeta-laben, for all-optisk optisk frekvensdeling, eller OFD - en metode for å konvertere et høyfrekvent signal til en lavere frekvens. (Bilde: Yun Zhao, Columbia Engineering)
Utfordringen
Elektroniske enheter for global navigasjon, trådløs kommunikasjon, radar og presisjonstiming trenger stabile mikrobølgekilder for å tjene som klokker og informasjonsbærere. Et nøkkelaspekt for å øke ytelsen til disse enhetene er å redusere støyen, eller tilfeldige svingninger i fase, som er tilstede på mikrobølgeovnen. "I det siste tiåret har en teknikk kjent som optisk frekvensdeling resultert i de laveste mikrobølgesignalene som har blitt generert til dags dato," sa Alexander Gaeta, David M. Rickey professor i anvendt fysikk og materialvitenskap og professor i elektroteknikk ved Columbia Engineering. "Vanligvis krever et slikt system flere lasere og et relativt stort volum for å inneholde alle komponentene." Optisk frekvensdeling – en metode for å konvertere et høyfrekvent signal til en lavere frekvens – er en ny innovasjon for å generere mikrobølger der støyen har blitt sterkt undertrykt. Et stort fotavtrykk på bordet forhindrer imidlertid at slike systemer blir utnyttet for miniatyriserte sensing- og kommunikasjonsapplikasjoner som krever mer kompakte mikrobølgekilder og er bredt brukt. "Vi har realisert en enhet som er i stand til å utføre optisk frekvensdeling helt på en brikke i et område så lite som 1 mm2 ved å bruke bare en enkelt laser," sa Gaeta. "Vi demonstrerer for første gang prosessen med optisk frekvensdeling uten behov for elektronikk, noe som i stor grad forenkler enhetens design."
Tilnærmingen
Gaetas gruppe spesialiserer seg på kvante og ikke-lineær fotonikk, eller hvordan laserlys interagerer med materie. Fokusområder inkluderer ikke-lineære nanofotonikk, frekvens-kam generering, intense ultraraske pulsinteraksjoner og generering og prosessering av kvantetilstander av lys. I den nåværende studien designet og produserte gruppen en on-chip, helt optisk enhet som genererer et 16 GHz mikrobølgesignal med den laveste frekvensstøyen som noen gang har blitt oppnådd i en integrert brikkeplattform. Enheten bruker to mikroresonatorer laget av silisiumnitrid som er fotonisk koblet sammen. En enkeltfrekvenslaser pumper begge mikroresonatorene. Den ene brukes til å lage en optisk parametrisk oscillator, som konverterer inngangsbølgen til to utgangsbølger - en høyere og en lavere i frekvens. Frekvensavstanden til de to nye frekvensene er justert til å være i terahertz-regimet. Som et resultat av kvantekorrelasjonene til oscillatoren, kan støyen til denne frekvensforskjellen være tusenvis av ganger mindre enn støyen fra inngangslaserbølgen. Den andre mikroresonatoren er justert for å generere en optisk frekvenskam med mikrobølgeavstand. En liten mengde lys fra oscillatoren kobles deretter til kamgeneratoren, noe som fører til synkronisering av mikrobølgekamfrekvensen til terahertzoscillatoren som automatisk resulterer i optisk frekvensdeling.Potensiell innvirkning
Arbeidet fra Gaetas gruppe representerer en enkel, effektiv tilnærming for å utføre optisk frekvensdeling i en liten, robust og svært bærbar pakke. Funnene åpner døren for enheter i brikkeskala som kan generere stabile, rene mikrobølgesignaler som kan sammenlignes med de som produseres i laboratorier som utfører presisjonsmålinger. "Til slutt vil denne typen all-optisk frekvensdeling føre til nye design av fremtidige telekommunikasjonsenheter," sa han. "Det kan også forbedre presisjonen til mikrobølgeradarer som brukes for autonome kjøretøy."Teamet
Gaeta, sammen med Yun Zhao – som var en doktorgradsstudent og nå er post-doc i Gaeta Lab – og forsker Yoshitomo Okawachi, unnfanget prosjektets kjerneide. Deretter designet Zhao og post-doc Jae Jang enhetene og utførte eksperimentet. Prosjektet ble gjort i nært samarbeid med Columbia Engineering professor Michal Lipson og hennes gruppe. Karl McNulty fra Lipson-gruppen fabrikerte den fotoniske brikken ved både Columbia og Cornell University. TheTerremoto Shared High-Performance Computing Cluster, en tjeneste levert av Columbia University Information Technology (CUIT), ble brukt til å modellere støyegenskapene til optiske parametriske oscillatorer.- SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
- PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
- PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
- kilde: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64882.php
