近日，《自然》網站上報道了一項新研究，哥倫比亞工程研究人員構建了一種光子芯片，該芯片僅使用單一激光器就能產生高質量、超低噪聲的微波信號。這種緊湊型設備——一種小到可以放在鉛筆尖上的芯片——在集成光子平臺中產生了有史以來最低的微波噪聲。 這一成就為高速通信、原子鐘和自動駕駛汽車等應用提供了小尺寸超低噪聲微波生成的有前景的途徑。

光子集成芯片的原理圖

挑戰 用于全球導航、無線通信、雷達和精確計時的電子設備需要穩定的微波源作為時鐘和信息載體。提高這些設備性能的一個關鍵方面是降低微波中的噪聲或相位隨機波動。 哥倫比亞大學工程與應用物理和材料科學教授、電氣工程教授亞歷山大·加埃塔說：“在過去十年中，一種稱為光頻分的技術產生了迄今為止最低噪聲的微波信號。通常，這樣的系統需要多個激光器和相對較大的體積來容納所有組件。”

光頻分是一種將高頻信號轉換為低頻信號的方法，是最近用于產生微波的創新，其中噪聲得到了強烈抑制。然而，大型臺式足跡阻礙了此類系統用于需要更緊湊微波源并被廣泛采用的小型化傳感和通信應用。

蓋塔說：“我們已經實現了一種器件，它能夠僅使用單個激光器在1平方毫米的面積上完全在芯片上進行光頻分。我們首次證明了無需電子器件的光頻分過程，大大簡化了器件設計。” 方法 Gaeta的團隊專門研究量子和非線性光子學，或激光如何與物質相互作用。重點領域包括非線性納米光子學、頻率梳產生、強超快脈沖相互作用以及光量子態的產生和處理。 在當前的研究中，他的團隊設計并制造了一種片上全光器件，該器件在集成芯片平臺上產生了迄今為止最低頻率噪聲的16-GHz微波信號。該器件使用兩個由氮化硅制成的微諧振器，它們以光子方式耦合在一起。 單頻激光器同時泵浦兩個微諧振器。一個用于創建光參量振蕩器，將輸入波轉換為兩個輸出波——一個頻率較高，一個頻率較低。兩個新頻率的頻率間隔被調整到太赫茲范圍。由于振蕩器的量子相關性，該頻率差的噪聲可以比輸入激光波的噪聲低數千倍。

調節第二個微諧振器，以產生具有微波間距的光頻梳。然后將來自振蕩器的一小部分光耦合到梳發生器，使微波梳頻率與太赫茲振蕩器同步，從而自動產生光頻分。

潛在影響 加埃塔團隊的工作代表了一種簡單有效的方法，可以在一個小巧、堅固、高度便攜的封裝內進行光頻分。這些發現為芯片級設備打開了大門，這些設備可以產生穩定的、純凈的微波信號，與實驗室中進行的精密測量產生的信號相當。 他說：“最終，這種全光頻分技術將引領未來通信設備的新設計。它還可以提高用于自動駕駛汽車的微波雷達的精度。” Gaeta和Yun Zhao-who是研究生，現在是Gaeta實驗室的博士后，研究科學家Okawachi Yoshitomo共同構思了該項目的核心理念。然后，Zhao和博士后Jae Jang設計了裝置并進行了實驗。 該項目是與哥倫比亞大學工程學教授米夏爾·利普森及其團隊密切合作完成的。利普森團隊的卡爾·麥克納爾蒂在哥倫比亞大學和康奈爾大學制造了光子芯片。哥倫比亞大學信息技術中心提供的服務“Terremoto共享高性能計算集群”用于模擬光參量振蕩器的噪聲特性。

審核編輯：黃飛