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En un paso importante hacia los circuitos integrados fotónicos de microondas, los investigadores del NIST han trabajado con varias organizaciones para reducir un sistema que alguna vez estuvo montado sobre una mesa en un dispositivo de chip para GPS, radar y comunicaciones inalámbricas.
Los investigadores han reducido un oscilador fotónico de microondas de un simple sistema de mesa a uno que potencialmente podría ofrecer nuevas capacidades de precisión para aplicaciones de próxima generación. Imagen cortesía del NIST
Con una gran cantidad de dispositivos conectados, la sincronización puede ser un gran problema. Si bien los osciladores de microondas de funcionamiento libre han resuelto adecuadamente este problema en el pasado, las aplicaciones de comunicación y medición más sólidas requieren una reducción eficiente del ruido de fase y sincronización entre dispositivos. Según los investigadores, la fotónica de microondas podría producir frecuencias de microondas más limpias en este tipo de aplicaciones.
El NIST y sus socios de investigación (el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, la Universidad de Yale, el Instituto de Tecnología de California, la Universidad de California en Santa Bárbara, la Universidad de Virginia y la Universidad de Colorado Boulder) han anunciado un circuito fotónico que convierte la luz en microondas, mejorando la navegación, las comunicaciones y el radar. sistemas.
Los investigadores están llevando la precisión óptica a las microondas
Cada socio de investigación desempeñó un papel crucial en la creación de prototipos del circuito fotónico. Primero, NIST, JPL, la Universidad de Virginia, Caltech y UC Boulder desarrollaron un oscilador de microondas que generaba una señal de microondas aprovechando la velocidad y precisión relativamente altas de la óptica.
Para hacer esto, enfocaron láseres semiconductores en una cavidad de referencia (esencialmente una pequeña caja de espejos) y ajustaron las frecuencias de luz en el interior para que coincidieran con el tamaño de la cavidad. Esto requirió una perfecta adaptación de los picos y valles de las ondas de luz entre las paredes de la cavidad. La luz acumuló potencia en estas frecuencias y mantuvo estable la frecuencia del láser. Luego, un peine de frecuencia convirtió esta luz estable de alta frecuencia en señales de microondas profundas.
Los dos láseres de onda continua desarrollados por Caltech produjeron frecuencias únicas que se «bloquearon» con microrresonadores de bloqueo de autoinyección (SIL) y cavidades Fabry-Perot diseñadas por UC Boulder. Estos láseres se utilizaron como referencia para generar dos frecuencias de ritmo únicas utilizando un tercer láser y un micropeine para crear un peine de frecuencia bloqueado en fase.
El sistema fotónico de microondas combinado consta de muchos componentes, cada uno de los cuales mejora el rendimiento con respecto a su homólogo de microondas y permite una señal de salida de alta calidad. Imagen cortesía de Naturaleza
El micropeine era un componente clave del dispositivo, ya que generaba las frecuencias ópticas a intervalos de 20 GHz que finalmente generaban la energía de microondas. El micropeine utilizó un resonador de doble anillo desarrollado por investigadores de la UCSB y Caltech.
La salida del peine constaba de muchas frecuencias ópticas separadas por 20 GHz. Esto se introdujo en un fotodetector MUTC (Modified Unitravelling Carrier), que produjo una señal de microondas de 20 GHz. El alto factor Q de los resonadores ópticos produjo entonces una señal de microondas con un ruido de fase extremadamente bajo. Estas microondas son esenciales para mantener una sincronización y un cronometraje precisos en tecnologías como el radar, las redes de comunicaciones y los sistemas de navegación.
Un esfuerzo grupal por la miniaturización
Los sistemas basados en el principio de funcionamiento mencionado anteriormente (muy simplificado) existen desde hace algún tiempo, pero se limitan principalmente a sistemas de mesa. Por lo tanto, hasta ahora no era práctico utilizar un sistema de este tipo en un dispositivo real. Sin embargo, con el esfuerzo conjunto del NIST y sus colaboradores, los diseñadores están un paso más cerca de utilizar la óptica en aplicaciones de microondas.
El oscilador fotónico de microondas tiene un ruido de fase mucho menor en comparación con un oscilador de microondas de funcionamiento libre. Imagen cortesía de Naturaleza
En comparación con la electrónica de microondas tradicional, el oscilador óptico de microondas tenía un ruido de fase mucho menor, con valores tan bajos como -102 dBc/Hz con un desplazamiento de 100 Hz y -141 dBc/Hz con un desplazamiento de 10 kHz, correspondiente a un ruido de fase de 50 dB. reducción en las proximidades del usuario. Por tanto, el uso de la fotónica de microondas podría mejorar potencialmente las aplicaciones de alta precisión.
democratizar el momento preciso
El oscilador fotónico de microondas del que se ha informado podría ser sólo el primer paso hacia la integración de láseres, moduladores, detectores y amplificadores ópticos en un solo chip. A medida que avance esta investigación, podría resultar mucho más fácil transmitir señales sensibles y de bajo ruido desde el laboratorio a manos de técnicos de radar, astrónomos, operadores de torres de telefonía móvil y otros.
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