Sinais de micro-ondas de alta qualidade gerados a partir de um minúsculo chip fotônico

Um esquema de alto nível do chip fotônico integrado, desenvolvido pelo laboratório Gaeta, para divisão de frequência óptica totalmente óptica, ou OFD - um método de conversão de um sinal de alta frequência em uma frequência mais baixa. Crédito:Yun Zhao/Columbia Engineering

Em uma nova Natureza estudo, os pesquisadores da Columbia Engineering construíram um chip fotônico que é capaz de produzir sinais de microondas de alta qualidade e ruído ultrabaixo usando apenas um único laser. O dispositivo compacto – um chip tão pequeno que caberia na ponta afiada de um lápis – resulta no menor ruído de micro-ondas já observado em uma plataforma fotônica integrada.

A conquista fornece um caminho promissor para a geração de microondas de pequeno porte e ruído ultrabaixo para aplicações como comunicação de alta velocidade, relógios atômicos e veículos autônomos.

O desafio

Dispositivos eletrônicos para navegação global, comunicações sem fio, radar e cronometragem precisa precisam de fontes de micro-ondas estáveis para servir como relógios e portadores de informações. Um aspecto fundamental para aumentar o desempenho desses dispositivos é reduzir o ruído, ou flutuações aleatórias de fase, que está presente no micro-ondas.

"Na última década, uma técnica conhecida como divisão de frequência óptica resultou nos sinais de microondas com menor ruído gerados até o momento", disse Alexander Gaeta, professor David M. Rickey de Física Aplicada e Ciência de Materiais e professor de engenharia elétrica em Engenharia Colômbia. "Normalmente, tal sistema requer vários lasers e um volume relativamente grande para conter todos os componentes."

A divisão óptica de frequência – um método de conversão de um sinal de alta frequência em uma frequência mais baixa – é uma inovação recente para gerar microondas nas quais o ruído foi fortemente suprimido. No entanto, uma grande área ocupada no nível da mesa impede que tais sistemas sejam aproveitados para aplicações miniaturizadas de detecção e comunicação que exigem fontes de microondas mais compactas e são amplamente adotadas.

"Conseguimos criar um dispositivo que é capaz de realizar divisão de frequência óptica inteiramente em um chip em uma área tão pequena quanto 1 mm² usando apenas um único laser", disse Gaeta. "Demonstramos pela primeira vez o processo de divisão de frequência óptica sem a necessidade de eletrônica, simplificando muito o design do dispositivo."

A abordagem

O grupo de Gaeta é especializado em fotônica quântica e não linear, ou como a luz do laser interage com a matéria. As áreas de foco incluem nanofotônica não linear, geração de pente de frequência, intensas interações de pulso ultrarrápidas e geração e processamento de estados quânticos de luz.

No estudo atual, seu grupo projetou e fabricou um dispositivo totalmente óptico no chip que gera um sinal de micro-ondas de 16 GHz com o ruído de frequência mais baixo já alcançado em uma plataforma de chip integrada. O dispositivo usa dois microrressonadores feitos de nitreto de silício que são acoplados fotonicamente.

Um laser de frequência única bombeia ambos os microrressonadores. Um é usado para criar um oscilador paramétrico óptico, que converte a onda de entrada em duas ondas de saída – uma de frequência mais alta e outra de frequência mais baixa. O espaçamento de frequência das duas novas frequências é ajustado para estar no regime de terahertz. Como resultado das correlações quânticas do oscilador, o ruído desta diferença de frequência pode ser milhares de vezes menor que o ruído da onda laser de entrada.

O segundo microrressonador é ajustado para gerar um pente de frequência óptica com espaçamento de microondas. Uma pequena quantidade de luz do oscilador é então acoplada ao gerador de pente, levando à sincronização da frequência de pente de micro-ondas com o oscilador terahertz que resulta automaticamente na divisão de frequência óptica.

Impacto potencial

O trabalho do grupo de Gaeta representa uma abordagem simples e eficaz para realizar a divisão de frequência óptica em um pacote pequeno, robusto e altamente portátil. As descobertas abrem a porta para dispositivos em escala de chip que podem gerar sinais de microondas puros e estáveis, comparáveis aos produzidos em laboratórios que realizam medições de precisão.

“Eventualmente, este tipo de divisão de frequência totalmente óptica levará a novos designs de futuros dispositivos de telecomunicações”, disse ele. “Também poderia melhorar a precisão dos radares de microondas usados para veículos autônomos.”

Gaeta, junto com Yun Zhao - que era estudante de graduação e agora é pós-doutorado no Laboratório Gaeta - e o cientista pesquisador Yoshitomo Okawachi, conceberam a ideia central do projeto. Então, Zhao e o pós-doutorado Jae Jang projetaram os dispositivos e realizaram o experimento.

O projeto foi realizado em estreita colaboração com o professor de Engenharia da Columbia, Michal Lipson, e seu grupo. Karl McNulty, do grupo Lipson, fabricou o chip fotônico na Columbia e na Cornell University. O Cluster de Computação Compartilhada de Alto Desempenho Terremoto, um serviço fornecido pela Columbia University Information Technology (CUIT), foi usado para modelar as propriedades de ruído de osciladores paramétricos ópticos.

Mais informações: Yun Zhao et al, Divisão de frequência totalmente óptica no chip usando um único laser, Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07136-2
Fornecido pela Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade de Columbia

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