微型光子芯片产生高质量的微波信号

《自然》网站上报道了一项新研究，哥伦比亚工程研究人员构建了一种光子芯片，该芯片仅使用单一激光器就能产生高质量、超低噪声的微波信号。这种紧凑型设备——一种小到可以放在铅笔尖上的芯片——在集成光子平台中产生了有史以来最低的微波噪声。

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小尺寸超低噪声微波生成的有前景的途径。

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光子集成芯片的原理图

挑战

用于全球导航、无线通信、雷达和精确计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降低微波中的噪声或相位随机波动。

哥伦比亚大学工程与应用物理和材料科学教授、电气工程教授亚历山大·加埃塔说：“在过去十年中，一种称为光频分的技术产生了迄今为止最低噪声的微波信号。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。”

光频分是一种将高频信号转换为低频信号的方法，是最近用于产生微波的创新，其中噪声得到了强烈抑制。然而，大型台式足迹阻碍了此类系统用于需要更紧凑微波源并被广泛采用的小型化传感和通信应用。

盖塔说：“我们已经实现了一种器件，它能够仅使用单个激光器在1平方毫米的面积上完全在芯片上进行光频分。我们首次证明了无需电子器件的光频分过程，大大简化了器件设计。”

方法

Gaeta的团队专门研究量子和非线性光子学，或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、频率梳产生、强超快脉冲相互作用以及光量子态的产生和处理。

在当前的研究中，他的团队设计并制造了一种片上全光器件，该器件在集成芯片平台上产生了迄今为止最低频率噪声的16-GHz微波信号。该器件使用两个由氮化硅制成的微谐振器，它们以光子方式耦合在一起。

单频激光器同时泵浦两个微谐振器。一个用于创建光参量振荡器，将输入波转换为两个输出波——一个频率较高，一个频率较低。两个新频率的频率间隔被调整到太赫兹范围。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低数千倍。

调节第二个微谐振器，以产生具有微波间距的光频梳。然后将来自振荡器的一小部分光耦合到梳发生器，使微波梳频率与太赫兹振荡器同步，从而自动产生光频分。

潜在影响

加埃塔团队的工作代表了一种简单有效的方法，可以在一个小巧、坚固、高度便携的封装内进行光频分。这些发现为芯片级设备打开了大门，这些设备可以产生稳定的、纯净的微波信号，与实验室中进行的精密测量产生的信号相当。

他说：“最终，这种全光频分技术将引领未来通信设备的新设计。它还可以提高用于自动驾驶汽车的微波雷达的精度。”

Gaeta和Yun Zhao-who是研究生，现在是Gaeta实验室的博士后，研究科学家Okawachi Yoshitomo共同构思了该项目的核心理念。然后，Zhao和博士后Jae Jang设计了装置并进行了实验。

该项目是与哥伦比亚大学工程学教授米夏尔·利普森及其团队密切合作完成的。利普森团队的卡尔·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。哥伦比亚大学信息技术中心提供的服务“Terremoto共享高性能计算集群”用于模拟光参量振荡器的噪声特性。

相关链接：https://phys.org/news/2024-03-high-quality-microwave-generated-tiny.html

论文链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41586-024-07136-2