哥伦比亚大学构建出微型光子芯片 可提高自动驾驶汽车的微波信号精度

概述

在《Nature》杂志的一项新研究中，哥伦比亚大学工程学院的研究人员制造出一种光子芯片，只需使用单个激光器就能产生高质量、超低噪声的微波信号。这种芯片非常小巧，可以装在一个锋利的铅笔尖上，是迄今为止在集成光子平台上观察到的最低微波噪声。这项成果为高速通信、原子钟和自动驾驶汽车等应用提供了一条通往小尺寸超低噪声微波发生器的光明之路。

图 1：通过分频产生片上低噪声微波的示意图。资料来源：Yun Zhao, Jae K. Jang等人，《All-optical frequency division on-chip using a single laser》，《Nature》（2024）。

挑战

用于全球导航、无线通信、雷达和精密计时的电子器件需要稳定的微波源作为时钟和信息载体。要提高这些器件的性能，关键在于减少微波中存在的噪声或相位随机波动。

哥伦比亚大学工程学院应用物理和材料科学 David M. Rickey 教授兼电气工程教授 Alexander Gaeta 说：在过去的十年中，一种被称为光学分频的技术产生了迄今为止噪音最低的微波信号。通常情况下，这样的系统需要多个激光器和相对较大的体积来容纳所有元件。

光学分频技术是一种将高频信号转换为低频信号的方法，是最近产生微波的创新技术，其中的噪声已被大大抑制。然而，由于光学分频系统占用桌面空间较大，因此无法用于微型传感和通信应用，而这些应用需要更紧凑的微波源。Gaeta 说：我们已经实现了一种器件，只需使用单个激光器，就能在小至 1 mm2的区域内完全在芯片上执行光学分频。我们首次展示了无需电子器件的光学分频过程，大大简化了器件设计。

研究方法

Gaeta 的研究团队专门研究量子和非线性光子学，即激光如何与物质相互作用。研究的重点领域包括非线性纳米光子学、频率梳生成、强超快脉冲相互作用以及光量子态的生成和处理。

在目前的研究中，他的研究团队设计并制造了一种片上全光学器件，该器件能产生 16 GHz 的微波信号，其频率噪声是迄今在集成芯片平台上实现的最低频率噪声。该器件使用两个由氮化硅制成的微谐振器，通过光子耦合在一起。单频激光器泵浦两个微谐振器。其中一个用于创建光参量振荡器，将输入波转换成两个输出波--一个频率较高，一个频率较低。两个新频率的频率间隔被调整为太赫兹频率。由于振荡器的量子相关性，这种频率差异的噪声可比输入激光的噪声小数千倍。第二个微谐振器经调整后可产生具有微波间隔的光频梳。然后，振荡器发出的少量光被耦合到梳状频率发生器，从而使微波梳状频率与太赫兹振荡器同步，自动实现光学分频。

图 4：电子可探测微波发生器。a. 紧凑型 16-GHz-FSR 微谐振器。波导间距和绕组几何形状可进一步优化。b 中的实验使用了两个这样的装置。b. 通过全光 OFD 产生 16 GHz 微波的相位噪声。蓝色显示的是泵浦噪声，OPO 产生的噪声（红色）明显降低。通过谐波同步，自由运行的孤子噪声（黄色）被减小到紫色轨迹，相当于从 OPO 到孤子的理论分频因子 54 dB。c、d. OPO（c）和孤子（d）的光学光谱。多孤子状态用于提高光功率。e. 拟议的片上超低相噪、宽调谐微波源。光学基准是在无热环中产生的宽带 OPO。制作了多个孤子环，以便在微波 X 波段至 W 波段产生具有模式间隔的克尔梳。片上加热器用于激活所需的光学失谐环。微波信号是通过对克尔梳信号的光电探测产生的。比例尺为 100 μm。资料来源：Yun Zhao, Jae K. Jang等人，《All-optical frequency division on-chip using a single laser》，《Nature》（2024）。

潜在影响

Gaeta 的研究团队的工作代表了一种在小型、坚固和高度便携的封装内进行光学分频的简单而有效的方法。这些研究成果为芯片级器件打开了大门，使其能够产生稳定、纯净的微波信号，可与进行精密测量的实验室产生的信号相媲美。

扩展数据1：热噪声特征。热噪声表征 (a)，用于表征微谐振器热噪声的同调装置。DUT：被测器件。(b), 氮化硅器件在室温（0V）和使用商用任意波形发生器施加加热电压（1.3V）时的热噪声测量结果。资料来源：Yun Zhao, Jae K. Jang等人，《All-optical frequency division on-chip using a single laser》，《Nature》（2024）。

扩展数据2：16 GHz 微波产生和特性分析的实验装置。16-GHz微波产生和表征的实验装置 EDFA：掺铒光纤放大器；WDM：波分复用器。两个近乎相同的螺旋谐振器分别用于产生 OPO 和孤子梳。OPO 芯片的输出通过基于光纤的波分复用器与孤子芯片的泵浦相结合，以促进同步。资料来源：Yun Zhao, Jae K. Jang等人，《All-optical frequency division on-chip using a single laser》，《Nature》（2024）。

Gaeta表示：最终，这种全光分频将带来未来电信设备的新设计。它还能提高用于自动驾驶汽车的微波雷达的精度。

Gaeta 与 Yun Zhao（他曾是 Gaeta 实验室的一名研究生，现在是一名博士后）以及研究科学家 Yoshitomo Okawachi 一起构思了该项目的核心理念。然后，Yun Zhao 和博士后 Jae Jang 设计了该器件并进行了实验。

该项目是与哥伦比亚大学工程学院 Michal Lipson 教授及其团队密切合作完成的。Lipson 团队的 Karl McNulty 在哥伦比亚大学和康奈尔大学制造了光子芯片。由哥伦比亚大学信息技术学院（CUIT）提供服务的 Terremoto 共享高性能计算集群被用来模拟光学参量振荡器的噪声特性。

参考文献：Yun Zhao, Jae K. Jang等人，《All-optical frequency division on-chip using a single laser》，《Nature》（2024）。