(Nanowerk Nyheter) I en ny Natur studie ("Alloptisk frekvensdelning på chipet med en enda laser"), Columbia Engineering-forskare har byggt ett fotoniskt chip som kan producera högkvalitativa mikrovågssignaler med ultralågt brus med bara en enda laser. Den kompakta enheten – ett chip så litet att det skulle kunna passa på en vass pennspets – resulterar i det lägsta mikrovågsljud som någonsin observerats i en integrerad fotonikplattform. Prestationen ger en lovande väg mot mikrovågsgenerering med ultralågt ljud med liten yta för applikationer som höghastighetskommunikation, atomklockor och autonoma fordon.
Ett schema på hög nivå av det fotoniska integrerade chipet, utvecklat av Gaeta-labbet, för helt optisk optisk frekvensdelning, eller OFD – en metod för att omvandla en högfrekvent signal till en lägre frekvens. (Bild: Yun Zhao, Columbia Engineering)
Utmaningen
Elektroniska enheter för global navigering, trådlös kommunikation, radar och precisionstid behöver stabila mikrovågskällor för att fungera som klockor och informationsbärare. En nyckelaspekt för att öka prestandan hos dessa enheter är att minska bruset, eller slumpmässiga fasfluktuationer, som finns på mikrovågsugnen. "Under det senaste decenniet har en teknik som kallas optisk frekvensdelning resulterat i de mikrovågssignaler med lägsta brus som har genererats hittills", säger Alexander Gaeta, David M. Rickey professor i tillämpad fysik och materialvetenskap och professor i elektroteknik vid Columbia Engineering. "Vanligtvis kräver ett sådant system flera lasrar och en relativt stor volym för att innehålla alla komponenter." Optisk frekvensdelning – en metod för att omvandla en högfrekvent signal till en lägre frekvens – är en ny innovation för att generera mikrovågor där bruset har undertryckts kraftigt. Ett stort fotavtryck på bordsnivå förhindrar dock att sådana system utnyttjas för miniatyriserade avkännings- och kommunikationsapplikationer som kräver mer kompakta mikrovågskällor och som är allmänt använda. "Vi har realiserat en enhet som kan utföra optisk frekvensdelning helt och hållet på ett chip i ett område så litet som 1 mm2 med bara en enda laser," sa Gaeta. "Vi demonstrerar för första gången processen med optisk frekvensdelning utan behov av elektronik, vilket avsevärt förenklar enhetens design."
Tillvägagångssättet
Gaetas grupp är specialiserad på kvant- och olinjär fotonik, eller hur laserljus interagerar med materia. Fokusområden inkluderar icke-linjära nanofotonik, frekvens-kamgenerering, intensiva ultrasnabba pulsinteraktioner och generering och bearbetning av kvanttillstånd av ljus. I den aktuella studien designade och tillverkade hans grupp en on-chip, helt optisk enhet som genererar en 16 GHz mikrovågssignal med det lägsta frekvensbruset som någonsin har uppnåtts i en integrerad chipplattform. Enheten använder två mikroresonatorer gjorda av kiselnitrid som är fotoniskt sammankopplade. En enkelfrekvenslaser pumpar båda mikroresonatorerna. Den ena används för att skapa en optisk parametrisk oscillator, som omvandlar ingångsvågen till två utgångsvågor – en högre och en lägre i frekvens. Frekvensavståndet mellan de två nya frekvenserna justeras för att vara i terahertz-regimen. Som ett resultat av oscillatorns kvantkorrelationer kan bruset för denna frekvensskillnad vara tusentals gånger mindre än bruset från den ingående laservågen. Den andra mikroresonatorn justeras för att generera en optisk frekvenskam med ett mikrovågsavstånd. En liten mängd ljus från oscillatorn kopplas sedan till kamgeneratorn, vilket leder till synkronisering av mikrovågskamfrekvensen till terahertzoscillatorn som automatiskt resulterar i optisk frekvensdelning.Potentiell inverkan
Arbetet från Gaetas grupp representerar ett enkelt, effektivt tillvägagångssätt för att utföra optisk frekvensdelning i ett litet, robust och mycket portabelt paket. Fynden öppnar dörren för chip-skala enheter som kan generera stabila, rena mikrovågssignaler jämförbara med de som produceras i laboratorier som utför precisionsmätningar. "Så småningom kommer den här typen av helt optisk frekvensuppdelning att leda till nya konstruktioner av framtida telekommunikationsenheter," sa han. "Det kan också förbättra precisionen hos mikrovågsradarer som används för autonoma fordon."Teamet
Gaeta, tillsammans med Yun Zhao – som var doktorand och nu är post-doc i Gaeta Lab – och forskaren Yoshitomo Okawachi, tänkte på projektets kärnidé. Sedan designade Zhao och post-doc Jae Jang enheterna och utförde experimentet. Projektet gjordes i nära samarbete med Columbia Engineering professor Michal Lipson och hennes grupp. Karl McNulty från Lipson-gruppen tillverkade fotonchippet vid både Columbia och Cornell University. TheTerremoto Shared High-Performance Computing Cluster, en tjänst som tillhandahålls av Columbia University Information Technology (CUIT), användes för att modellera brusegenskaperna hos optiska parametriska oscillatorer.- SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
- Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
- PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
- Källa: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64882.php
