Korkealaatuisia mikroaaltosignaaleja fotonisirulta

Columbia Engineeringin tutkijat ovat rakentaneet fotonisirun, joka pystyy tuottamaan korkealaatuisia, erittäin vähäkohinaisia mikroaaltosignaaleja käyttämällä vain yhtä laseria. Kehitetty pieni siru tuottaa alhaisimman mikroaaltokohinan, jota on koskaan havaittu integroidussa fotoniikka-alustassa.

Saavutus tarjoaa lupaavan polun kohti pienikokoista ja erittäin vähäkohinaista mikroaallon generointia sovelluksiin, kuten nopea viestintä, atomikellot ja autonomiset ajoneuvot.

"Viimeisen vuosikymmenen aikana optisena taajuudenjakona tunnettu tekniikka on johtanut tähän mennessä tuotettuihin pienikohinaisiin mikroaaltosignaaleihin", sanoo professori Alexander Gaeta. "Yleensä tällainen järjestelmä vaatii useita lasereita ja suhteellisen suuren tilavuuden sisältämään kaikki komponentit."

Optinen taajuudenjako – menetelmä korkeataajuisen signaalin muuttamiseksi alemmalle taajuudelle – on viimeaikainen innovaatio mikroaaltojen tuottamiseen, joissa kohinaa on vaimennettu vahvasti. Yleensä ne ovat niin suurikokoisia että niitä ei voi käyttää pienikokoisissa tunnistus- ja viestintäsovelluksissa.

"Olemme toteuttaneet rakenteen, joka pystyy ajamaan optisen taajuusjaon kokonaan sirulla jopa yhden neliömillin alueella ja yhdellä laserilla", Gaeta sanoo. "Esittelemme ensimmäistä kertaa optisen taajuudenjaon prosessin ilman elektroniikkaa, mikä yksinkertaistaa huomattavasti laitesuunnittelua."

Gaetan ryhmä on erikoistunut kvantti- ja epälineaariseen fotoniikkaan tai siihen, miten laservalo on vuorovaikutuksessa aineen kanssa.

Tässä tutkimuksessa hänen ryhmänsä suunnitteli ja valmisti sirulla olevan täysin optisen rakenteen, joka tuottaa 16 GHz:n mikroaaltosignaalin matalimmalla taajuuskohinalla, joka on koskaan saavutettu integroidulla sirualustalla. Piirirakenne käyttää kahta piinitridistä valmistettua mikroresonaattoria, jotka on kytketty fotonisesti yhteen.

Yksitaajuinen laser pumppaa molempia mikroresonaattoreita. Yhtä käytetään optisen parametrisen oskillaattorin luomiseen, joka muuntaa tuloaallon kahdeksi lähtöaalloksi - yksi korkeampi ja yksi pienempi taajuus. Kahden uuden taajuuden taajuusväli on säädetty terahertsien alueelle. Oskillaattorin kvanttikorrelaatioiden seurauksena tämän taajuuseron kohina voi olla tuhansia kertoja pienempi kuin sisääntulevan laseraallon kohina.

Toinen mikroresonaattori on säädetty muodostamaan optinen taajuuskampa mikroaaltojen välistyksellä. Oskillaattorista kytketään sitten pieni määrä valoa kampageneraattoriin, mikä johtaa mikroaaltokampataajuuden synkronointiin terahertsioskillaattoriin, mikä johtaa automaattisesti optiseen taajuuden jakoon.

Aiheesta aiemmin:

Mikroaaltoinen fotoniikkasiru nopeaan signaalinkäsittelyyn

Laser ja mikrokampa samalle sirulle

Mikropallopari muuttaa mikroaallot valoksi