Dans une nouvelle Nature Dans le cadre de cette étude, les chercheurs de Columbia Engineering ont construit une puce photonique capable de produire des signaux micro-ondes de haute qualité à très faible bruit en utilisant un seul laser. Ce dispositif compact (une puce si petite qu'elle pourrait tenir sur la pointe d'un crayon pointu) génère le bruit micro-ondes le plus faible jamais observé dans une plate-forme photonique intégrée.
Cette réalisation ouvre une voie prometteuse vers la génération de micro-ondes à très faible bruit et à faible encombrement pour des applications telles que la communication à haut débit, les horloges atomiques et les véhicules autonomes.
Les appareils électroniques pour la navigation mondiale, les communications sans fil, les radars et la synchronisation de précision ont besoin de sources micro-ondes stables pour servir d'horloges et de supports d'informations. Un aspect clé pour augmenter les performances de ces appareils est de réduire le bruit, ou les fluctuations aléatoires de phase, présents sur le micro-ondes.
"Au cours de la dernière décennie, une technique connue sous le nom de division de fréquence optique a permis d'obtenir les signaux micro-ondes les plus bruyants jamais générés à ce jour", a déclaré Alexander Gaeta, professeur David M. Rickey de physique appliquée et de science des matériaux et professeur de génie électrique à Ingénierie de Colombie. "En général, un tel système nécessite plusieurs lasers et un volume relativement important pour contenir tous les composants."
La division optique de fréquence, une méthode de conversion d'un signal haute fréquence en une fréquence plus basse, est une innovation récente pour générer des micro-ondes dans lesquelles le bruit a été fortement supprimé. Cependant, l'encombrement important au niveau d'une table empêche l'exploitation de tels systèmes pour des applications de détection et de communication miniaturisées qui nécessitent des sources micro-ondes plus compactes et sont largement adoptées.
"Nous avons réalisé un dispositif capable d'effectuer une division de fréquence optique entièrement sur une puce dans une zone aussi petite que 1 mm 2 en utilisant un seul laser", a déclaré Gaeta. "Nous démontrons pour la première fois le processus de division optique de la fréquence sans recourir à l'électronique, simplifiant ainsi considérablement la conception de l'appareil."
Le groupe de Gaeta se spécialise dans la photonique quantique et non linéaire, ou dans la façon dont la lumière laser interagit avec la matière. Les domaines d'intérêt comprennent la nanophotonique non linéaire, la génération de peignes de fréquences, les interactions intenses d'impulsions ultrarapides, ainsi que la génération et le traitement des états quantiques de la lumière.
Dans la présente étude, son groupe a conçu et fabriqué un dispositif entièrement optique sur puce qui génère un signal micro-ondes de 16 GHz avec le bruit de fréquence le plus bas jamais atteint dans une plate-forme de puce intégrée. L'appareil utilise deux microrésonateurs en nitrure de silicium couplés photoniquement.
Un laser monofréquence pompe les deux microrésonateurs. L’un est utilisé pour créer un oscillateur paramétrique optique, qui convertit l’onde d’entrée en deux ondes de sortie :une de fréquence supérieure et une de fréquence inférieure. L'espacement fréquentiel des deux nouvelles fréquences est ajusté pour être dans le régime térahertz. Grâce aux corrélations quantiques de l'oscillateur, le bruit de cette différence de fréquence peut être des milliers de fois inférieur au bruit de l'onde laser d'entrée.
Le deuxième microrésonateur est ajusté pour générer un peigne de fréquence optique avec un espacement des micro-ondes. Une petite quantité de lumière provenant de l'oscillateur est ensuite couplée au générateur de peigne, conduisant à la synchronisation de la fréquence du peigne micro-ondes avec l'oscillateur térahertz, ce qui entraîne automatiquement une division de fréquence optique.
Le travail du groupe de Gaeta représente une approche simple et efficace pour effectuer une division de fréquence optique dans un boîtier petit, robuste et hautement portable. Les résultats ouvrent la porte à des dispositifs à l'échelle d'une puce capables de générer des signaux micro-ondes stables et purs comparables à ceux produits dans les laboratoires qui effectuent des mesures de précision.
"À terme, ce type de division de fréquence entièrement optique mènera à de nouvelles conceptions de futurs appareils de télécommunication", a-t-il déclaré. "Cela pourrait également améliorer la précision des radars à micro-ondes utilisés pour les véhicules autonomes."
Gaeta, avec Yun Zhao, qui était étudiant diplômé et maintenant post-doctorant au Gaeta Lab, et le chercheur Yoshitomo Okawachi, ont conçu l'idée principale du projet. Ensuite, Zhao et le post-doctorant Jae Jang ont conçu les appareils et réalisé l'expérience.
Le projet a été réalisé en étroite collaboration avec Michal Lipson, professeur à Columbia Engineering et son groupe. Karl McNulty du groupe Lipson a fabriqué la puce photonique à l'Université de Columbia et à l'Université Cornell. Le cluster de calcul partagé haute performance Terremoto, un service fourni par Columbia University Information Technology (CUIT), a été utilisé pour modéliser les propriétés de bruit des oscillateurs paramétriques optiques.
Plus d'informations : Yun Zhao et al, Division de fréquence entièrement optique sur puce utilisant un seul laser, Nature (2024). DOI :10.1038/s41586-024-07136-2
Fourni par l'École d'ingénierie et de sciences appliquées de l'Université Columbia
