光子学技能新打破：科学家用微型芯片发生高质量微波信号

  研讨人员创造出一种紧凑型全光学设备，其微波噪声是迄今为止集成芯片中最低的。在《天然》杂志的一项新研讨中，哥伦比亚工程学院的研讨人员制作出一种光子芯片，只需运用单个激光器就能发生高质量、超低噪声的微波信号。

  盖塔实验室开发的光子集成芯片的高档示意图，该芯片用于全光学光分频（OFD）--一种将高频信号转换为低频信号的办法。图片来自：Yun Zhao/哥伦比亚工程学院

  这种芯片十分细巧，可以装在尖利的铅笔尖上，是迄今为止在集成光子平台上观察到的最低微波噪声。这项效果为高速通讯、原子钟和无人驾驶轿车等运用供给了一条通往小尺度超低噪声微波发生器的光明之路。

  用于全球导航、无线通讯、雷达和精细计时的电子设备需求安稳的微波源作为时钟和信息载体。要进步这些设备的功能，要点是削减微波中存在的噪声或相位随机动摇。

  在曩昔的十年中，一种被称为光分频的技能发生了迄今为止噪音最低的微波信号，哥伦比亚工程学院运用物理和材料科学大卫-M-里基教授兼电气工程教授亚历山大-盖塔说。通常情况下，这样的体系要多个激光器和相对较大的体积来包容一切元件。

  光分频--一种将高频信号转换为低频信号的办法--是最近发生微波的立异技能，其间的噪声已被大大按捺。但是，因为光分频体系占用桌面空间较大，因而无法用于微型传感和通讯运用，而这些运用需求更紧凑的微波源，因而光分频体系已被广泛选用。

  盖塔说：咱们已完成了一种设备，只需运用单个激光器，就能在面积小至 1 平方毫米的芯片上彻底完成光分频。咱们初次展现了无需电子设备的光学分频进程，大大简化了设备规划。

  盖塔的研讨小组专门研讨量子和非线性光子学，即激光怎么与物质相互作用。研讨的要点范畴包含非线性纳米光子学、频率梳生成、强超快脉冲相互作用以及光量子态的生成和处理。

  在现在的研讨中，他的研讨小组规划并制作了一种片上全光学器材，该器材能发生 16 GHz 的微波信号，其频率噪声是迄今在集成芯片平台上完成的最低频率噪声。该设备运用两个由氮化硅制成的微谐振器，经过光子耦合在一起。

  单频激光器泵浦两个微谐振器。其间一个用于发生光参量振荡器，将输入波转换成两个输出波--一个频率较高，一个频率较低。两个新频率的频率距离被调整为太赫兹频率。因为振荡器的量子相关性，这一种评率差异的噪声可比输入激光波的噪声小数千倍。

  第二个微谐振器经调整后可发生具有微波距离的光频梳。然后，振荡器宣布的少数光被耦合到梳状频率发生器，从而使微波梳状频率与太赫兹振荡器同步，主动完成光分频。

  盖塔研讨小组的作业代表了一种在小型、巩固和高度便携的封装内进行光学分频的简略而有用的办法。这些研讨效果为芯片级设备打开了大门，这些设备可以发生安稳、纯洁的微波信号，可与进行精细丈量的实验室发生的信号相媲美。

  他说：终究，这种全光分频将带来未来电信设备的新规划。它还能进步用于无人驾驶轿车的微波雷达的精度。