光子学突破：微型芯片产生高质量微波信号

在《自然》杂志的一项新研究中，哥伦比亚大学工程学院的研究人员制造了一种光子芯片，该芯片仅使用单个激光器即可产生高质量、超低噪声的微波信号。这种紧凑的器件非常小，可以安装在锋利的铅笔尖上。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一条小尺寸超低噪声微波发电的有希望的途径。

微波产生中噪声的挑战

用于全球导航、无线通信、雷达和精确授时的电子设备需要稳定的微波源作为时钟和信息载体。提高这些器件性能的一个关键方面是减少微波炉上存在的噪声或相位随机波动。

「在过去的 10 年中，一种称为光频分的技术产生了迄今为止产生的最低噪声微波信号，」哥伦比亚工程学院应用物理和材料科学 David M. Rickey 教授兼电气工程教授 Alexander Gaeta 说：「通常，这样的系统需要多个激光器和相对较大的体积来包含所有组件。」

光频分是一种将高频信号转换为低频的方法，是产生微波的最新创新，其中噪声已被强烈抑制。然而，较大的桌面级占用空间使此类系统无法用于需要更紧凑的微波源并被广泛采用的小型化传感和通信应用。

Gaeta 说：「我们已经实现了一种器件，它能够仅使用单个激光器在小至 1 mm2 的面积内完全在芯片上执行光分频。我们首次演示了无需电子设备即可实现的光分过程，大大简化了器件设计。」

量子和非线性光子学：创新的核心

Gaeta 的团队专门研究量子和非线性光子学，或者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、频率梳生成、强烈的超快脉冲相互作用以及光量子态的生成和处理。

在目前的研究中，他的团队设计并制造了一种片上全光器件，该器件可产生 16 GHz 微波信号，其频率噪声是集成芯片平台中有史以来实现的最低频率噪声。该器件使用两个由氮化硅制成的微谐振器，它们通过光子耦合在一起。

单频激光器泵浦两个微谐振器。一个用于创建光学参量振荡器，将输入波转换为两个输出波——一个频率更高，一个频率更低。两个新频率的频率间隔被调整为太赫兹范围。由于振荡器的量子相关性，这种频率差的噪声可能比输入激光波的噪声小数千倍。

调整第二微谐振器以产生具有微波间隔的光频率梳。然后，来自振荡器的少量光耦合到梳状发生器，导致微波梳状频率与太赫兹振荡器同步，从而自动产生光分频。

潜在影响和未来应用

Gaeta 团队的工作代表了一种简单有效的方法，用于在小型，稳健且高度便携的封装中执行光频分。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、纯净的微波信号，与执行精密测量的实验室产生的信号相当。

「最终，这种类型的全光频分将导致未来电信设备的新设计，」他说。「它还可以提高用于自动驾驶汽车的微波雷达的精度。

Gaeta 与 Yun Zhao（曾是研究生，现在是 Gaeta 实验室的博士后）和研究科学家 Yoshitomo Okawachi 一起构思了该项目的核心思想。然后，Zhao 和博士后 Jae Jang 设计了这些设备并进行了实验。

该项目是与电气工程教授、应用物理学教授尤金·希金斯（Eugene Higgins）和她的团队密切合作完成的。来自利普森小组的卡尔·麦克纳尔蒂（Karl McNulty）在哥伦比亚大学和康奈尔大学制造了光子芯片。TheTerremoto Shared High-Performance Computing Cluster 是哥伦比亚大学信息技术（CUIT）提供的一项服务，用于模拟光学参量振荡器的噪声特性。