Por

Esquema de chip integrado 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

Os pesquisadores criam um dispositivo compacto e totalmente óptico com o menor ruído de micro-ondas já alcançado para um chip integrado.

Em um novo Natureza estudo, os pesquisadores da Columbia Engineering construíram um chip fotônico que pode produzir sinais de micro-ondas 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 micro-ondas de pequeno porte e ruído ultrabaixo para aplicações como comunicação de alta velocidade, relógios atômicos e veículos autônomos.

O desafio do ruído na geração de microondas

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 bastante o design do dispositivo.”

Fotônica Quântica e Não Linear: O Núcleo da Inovação

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 e aplicações futuras

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.”

Referência: “Divisão de frequência totalmente óptica no chip usando um único laser” por Yun Zhao, Jae K. Jang, Garrett J. Beals, Karl J. McNulty, Xingchen Ji, Yoshitomo Okawachi, Michal Lipson e Alexander L. Gaeta, 11 Março de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07136-2

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 Eugene Higgins, Professor de Engenharia Elétrica e Professor de Física Aplicada, 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 Universidade Columbia Tecnologia da Informação (CUIT), foi usada para modelar as propriedades de ruído de osciladores paramétricos ópticos.



Share. Facebook Twitter Pinterest LinkedIn Tumblr Email

Formado em Educação Física, apaixonado por tecnologia, decidi criar o site news space em 2022 para divulgar meu trabalho, tenho como objetivo fornecer informações relevantes e descomplicadas sobre diversos assuntos, incluindo jogos, tecnologia, esportes, educação e muito mais.