光子學(xué)突破：微型芯片產(chǎn)生高質(zhì)量微波信號

在《自然》雜志的一項新研究中，哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院的研究人員制造了一種光子芯片，該芯片僅使用單個(gè)激光器即可產(chǎn)生高質(zhì)量、超低噪聲的微波信號。這種緊湊的器件非常小，可以安裝在鋒利的鉛筆尖上。這一成就為高速通信、原子鐘和自動(dòng)駕駛汽車(chē)等應用提供了一條小尺寸超低噪聲微波發(fā)電的有希望的途徑。

微波產(chǎn)生中噪聲的挑戰

用于全球導航、無(wú)線(xiàn)通信、雷達和精確授時(shí)的電子設備需要穩定的微波源作為時(shí)鐘和信息載體。提高這些器件性能的一個(gè)關(guān)鍵方面是減少微波爐上存在的噪聲或相位隨機波動(dòng)。

「在過(guò)去的 10 年中，一種稱(chēng)為光頻分的技術(shù)產(chǎn)生了迄今為止產(chǎn)生的最低噪聲微波信號，」哥倫比亞工程學(xué)院應用物理和材料科學(xué) David M. Rickey 教授兼電氣工程教授 Alexander Gaeta 說(shuō)：「通常，這樣的系統需要多個(gè)激光器和相對較大的體積來(lái)包含所有組件?！?/p>

光頻分是一種將高頻信號轉換為低頻的方法，是產(chǎn)生微波的最新創(chuàng )新，其中噪聲已被強烈抑制。然而，較大的桌面級占用空間使此類(lèi)系統無(wú)法用于需要更緊湊的微波源并被廣泛采用的小型化傳感和通信應用。

Gaeta 說(shuō)：「我們已經(jīng)實(shí)現了一種器件，它能夠僅使用單個(gè)激光器在小至 1 mm2 的面積內完全在芯片上執行光分頻。我們首次演示了無(wú)需電子設備即可實(shí)現的光分過(guò)程，大大簡(jiǎn)化了器件設計?！?/p>

量子和非線(xiàn)性光子學(xué)：創(chuàng )新的核心

Gaeta 的團隊專(zhuān)門(mén)研究量子和非線(xiàn)性光子學(xué)，或者激光如何與物質(zhì)相互作用。重點(diǎn)領(lǐng)域包括非線(xiàn)性納米光子學(xué)、頻率梳生成、強烈的超快脈沖相互作用以及光量子態(tài)的生成和處理。

在目前的研究中，他的團隊設計并制造了一種片上全光器件，該器件可產(chǎn)生 16 GHz 微波信號，其頻率噪聲是集成芯片平臺中有史以來(lái)實(shí)現的最低頻率噪聲。該器件使用兩個(gè)由氮化硅制成的微諧振器，它們通過(guò)光子耦合在一起。

單頻激光器泵浦兩個(gè)微諧振器。一個(gè)用于創(chuàng )建光學(xué)參量振蕩器，將輸入波轉換為兩個(gè)輸出波——一個(gè)頻率更高，一個(gè)頻率更低。兩個(gè)新頻率的頻率間隔被調整為太赫茲范圍。由于振蕩器的量子相關(guān)性，這種頻率差的噪聲可能比輸入激光波的噪聲小數千倍。

調整第二微諧振器以產(chǎn)生具有微波間隔的光頻率梳。然后，來(lái)自振蕩器的少量光耦合到梳狀發(fā)生器，導致微波梳狀頻率與太赫茲振蕩器同步，從而自動(dòng)產(chǎn)生光分頻。

潛在影響和未來(lái)應用

Gaeta 團隊的工作代表了一種簡(jiǎn)單有效的方法，用于在小型，穩健且高度便攜的封裝中執行光頻分。這些發(fā)現為芯片級設備打開(kāi)了大門(mén)，這些設備可以產(chǎn)生穩定、純凈的微波信號，與執行精密測量的實(shí)驗室產(chǎn)生的信號相當。

「最終，這種類(lèi)型的全光頻分將導致未來(lái)電信設備的新設計，」他說(shuō)?！杆€可以提高用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)的微波雷達的精度。

Gaeta 與 Yun Zhao（曾是研究生，現在是 Gaeta 實(shí)驗室的博士后）和研究科學(xué)家 Yoshitomo Okawachi 一起構思了該項目的核心思想。然后，Zhao 和博士后 Jae Jang 設計了這些設備并進(jìn)行了實(shí)驗。

該項目是與電氣工程教授、應用物理學(xué)教授尤金·希金斯（Eugene Higgins）和她的團隊密切合作完成的。來(lái)自利普森小組的卡爾·麥克納爾蒂（Karl McNulty）在哥倫比亞大學(xué)和康奈爾大學(xué)制造了光子芯片。TheTerremoto Shared High-Performance Computing Cluster 是哥倫比亞大學(xué)信息技術(shù)（CUIT）提供的一項服務(wù)，用于模擬光學(xué)參量振蕩器的噪聲特性。