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(noticias nanowerk) En uno nuevo Naturaleza En un estudio (“División de frecuencia en chip totalmente óptica con un solo láser”), investigadores de Columbia Engineering construyeron un chip fotónico que puede generar señales de microondas de ruido ultrabajo y de alta calidad utilizando un solo láser. El dispositivo compacto (un chip tan pequeño que cabe en la punta de un lápiz afilado) produce el ruido de microondas más bajo jamás observado en una plataforma fotónica integrada.
El logro ofrece un camino prometedor hacia la generación de microondas de ruido extremadamente bajo en espacios pequeños para aplicaciones como comunicaciones de alta velocidad, relojes atómicos y vehículos autónomos.
![chip fotónico integrado](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/id64882_1.jpg)
Los dispositivos electrónicos para la navegación global, las comunicaciones inalámbricas, el radar y el cronometraje de precisión requieren fuentes de microondas estables que sirvan como relojes y portadores de información. Un aspecto importante para aumentar el rendimiento de estos dispositivos es reducir el ruido o las fluctuaciones aleatorias de fase que se producen en el microondas.
«Durante la última década, una técnica conocida como división de frecuencia óptica ha dado como resultado las señales de microondas con el ruido más bajo jamás producidas», dijo Alexander Gaeta, profesor David M. Rickey de Física Aplicada y Ciencia de Materiales y profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de Columbia. . «Normalmente, un sistema de este tipo requiere múltiples láseres y un volumen relativamente grande para acomodar todos los componentes».
La división de frecuencia óptica, un método para convertir una señal de alta frecuencia en una frecuencia más baja, es una nueva innovación para generar microondas que ha suprimido en gran medida el ruido. Sin embargo, una gran huella a nivel de mesa impide que dichos sistemas se utilicen para aplicaciones miniaturizadas de detección y comunicaciones, que requieren fuentes de microondas más compactas y se utilizan ampliamente.
“Hemos creado un dispositivo capaz de realizar una división óptica de frecuencia íntegramente en un chip en un área de sólo 1 mm2 utilizando un solo láser”, afirmó Gaeta. «Demostramos por primera vez el proceso de división de frecuencia óptica sin necesidad de componentes electrónicos, lo que simplifica enormemente el diseño del dispositivo».
El método
El grupo de Gaeta se especializa en fotónica cuántica y no lineal, es decir, cómo interactúa la luz láser con la materia. Las áreas clave de interés incluyen la nanofotónica no lineal, la generación de peines de frecuencia, las intensas interacciones de pulsos ultrarrápidos y la generación y procesamiento de estados cuánticos de la luz.
En el estudio actual, su grupo diseñó y fabricó un dispositivo en chip totalmente óptico que produce 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 microrresonadores de nitruro de silicio acoplados fotónicamente entre sí.
Un láser de única frecuencia 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 frecuencia y otra de menor frecuencia. El espaciado de frecuencia de las dos nuevas frecuencias se ajusta para que esté en el rango de terahercios. Debido a 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 está sintonizado para producir un peine de frecuencia óptica con espaciado de microondas. Luego, una pequeña cantidad de luz del oscilador se acopla al generador de peine, lo que da como resultado la sincronización de la frecuencia del peine de microondas con el oscilador de terahercios, lo que automáticamente da como resultado la división de frecuencia óptica.
Posibles efectos
El trabajo del grupo de Gaeta representa un enfoque simple y eficaz para realizar la división de frecuencia óptica en un paquete pequeño, robusto y altamente portátil. Los resultados abren la puerta a dispositivos a escala de chip que pueden producir señales de microondas puras y estables comparables a las comparables a los producidos en laboratorios que realizan mediciones de precisión.
«En última instancia, este tipo de frecuencia compartida totalmente óptica conducirá a nuevos diseños de futuros dispositivos de telecomunicaciones», dijo. «También podría mejorar la precisión de los radares de microondas utilizados en vehículos autónomos».
El equipo
Gaeta desarrolló la idea central del proyecto junto con Yun Zhao, quien era un estudiante de posgrado y ahora es investigador postdoctoral en el Laboratorio Gaeta, y el investigador Yoshitomo Okawachi. Luego, Zhao y el investigador postdoctoral Jae Jang diseñaron los dispositivos y realizaron el experimento.
El proyecto se llevó a cabo en estrecha colaboración con la profesora de ingeniería de Columbia Michal Lipson y su grupo. Karl McNulty, del grupo Lipson, fabricó el chip fotónico en las universidades de Columbia y Cornell. Se utilizó el Terremoto Shared High-Performance Computing Cluster, un servicio de Tecnología de la Información de la Universidad de Columbia (CUIT), para modelar las características de ruido de los osciladores ópticos paramétricos.
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