En una nueva Naturaleza En el estudio, los investigadores de Columbia Engineering han construido un chip fotónico que es capaz de producir señales de microondas de alta calidad y con un ruido ultrabajo utilizando un solo láser. El dispositivo compacto (un chip tan pequeño que podría caber en la punta de un lápiz afilado) produce el ruido de microondas más bajo jamás observado en una plataforma fotónica integrada.
El logro proporciona un camino prometedor hacia la generación de microondas de ruido ultrabajo y de pequeño tamaño para aplicaciones como comunicaciones de alta velocidad, relojes atómicos y vehículos autónomos.
Los dispositivos electrónicos para navegación global, comunicaciones inalámbricas, radares y cronometraje de precisión necesitan fuentes de microondas estables que sirvan como relojes y portadores de información. Un aspecto clave para aumentar el rendimiento de estos dispositivos es reducir el ruido o las fluctuaciones aleatorias de fase presentes en el microondas.
"En la última década, una técnica conocida como división de frecuencia óptica ha dado como resultado las señales de microondas de menor ruido que se han generado hasta la fecha", dijo Alexander Gaeta, profesor David M. Rickey de Física Aplicada y Ciencia de Materiales y profesor de ingeniería eléctrica en Ingeniería de Colombia. "Normalmente, un sistema de este tipo requiere múltiples láseres y un volumen relativamente grande para contener todos los componentes".
La división de frecuencia óptica, un método para convertir una señal de alta frecuencia en una frecuencia más baja, es una innovación reciente para generar microondas en las que el ruido se ha suprimido fuertemente. Sin embargo, una gran huella a nivel de mesa impide que dichos sistemas se aprovechen para aplicaciones miniaturizadas de detección y comunicación que exigen fuentes de microondas más compactas y se adoptan ampliamente.
"Hemos creado un dispositivo que es capaz de realizar una división de frecuencia óptica completamente en un chip en un área tan pequeña como 1 mm 2 utilizando un solo láser", afirmó Gaeta. "Demostramos por primera vez el proceso de división de frecuencia óptica sin necesidad de componentes electrónicos, simplificando enormemente el diseño del dispositivo".
El grupo de Gaeta se especializa en fotónica cuántica y no lineal, o cómo la luz láser interactúa con la materia. Las áreas de enfoque incluyen nanofotónica no lineal, generación de peines de frecuencia, intensas interacciones de pulsos ultrarrápidos y generación y procesamiento de estados cuánticos de luz.
En el estudio actual, su grupo diseñó y fabricó un dispositivo totalmente óptico en un chip que genera una señal de microondas de 16 GHz con el ruido de frecuencia más bajo jamás logrado en una plataforma de chip integrada. El dispositivo utiliza dos microresonadores hechos de nitruro de silicio que están acoplados fotónicamente.
Un láser de frecuencia única bombea ambos microresonadores. Uno se utiliza para crear un oscilador paramétrico óptico, que convierte la onda de entrada en dos ondas de salida, una de mayor y otra de menor frecuencia. El espaciado de frecuencia de las dos nuevas frecuencias se ajusta para que esté en el régimen de terahercios. Como resultado de las correlaciones cuánticas del oscilador, el ruido de esta diferencia de frecuencia puede ser miles de veces menor que el ruido de la onda láser de entrada.
El segundo microresonador se ajusta para generar un peine de frecuencia óptica con una separación de microondas. Luego, una pequeña cantidad de luz del oscilador se acopla al generador de peine, lo que lleva a la sincronización de la frecuencia del peine de microondas con el oscilador de terahercios, lo que da como resultado automáticamente la división de frecuencia óptica.
El trabajo del grupo de Gaeta representa un enfoque simple y eficaz para realizar la división de frecuencia óptica dentro de un paquete pequeño, robusto y altamente portátil. Los hallazgos abren la puerta a dispositivos a escala de chip que pueden generar señales de microondas puras y estables comparables a las producidas en laboratorios que realizan mediciones de precisión.
"Con el tiempo, este tipo de división de frecuencia totalmente óptica conducirá a nuevos diseños de futuros dispositivos de telecomunicaciones", afirmó. "También podría mejorar la precisión de los radares de microondas utilizados en vehículos autónomos."
Gaeta, junto con Yun Zhao, que era un estudiante de posgrado y ahora es un postdoctorado en el Laboratorio Gaeta, y el científico investigador Yoshitomo Okawachi, concibieron la idea central del proyecto. Luego, Zhao y el postdoctorado Jae Jang diseñaron los dispositivos y realizaron el experimento.
El proyecto se realizó en estrecha colaboración con la profesora de ingeniería de Columbia, Michal Lipson, y su grupo. Karl McNulty, del grupo Lipson, fabricó el chip fotónico tanto en la Universidad de Columbia como en la de Cornell. Se utilizó el clúster de computación de alto rendimiento compartido Terremoto, un servicio proporcionado por Tecnología de la información de la Universidad de Columbia (CUIT), para modelar las propiedades del ruido de los osciladores paramétricos ópticos.
Más información: Yun Zhao et al, División de frecuencia totalmente óptica en un chip utilizando un solo láser, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07136-2
Proporcionado por la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia
