סכימה ברמה גבוהה של השבב המשולב הפוטוני, שפותחה על ידי מעבדת Gaeta, עבור חלוקת תדרים אופטית כולה, או OFD – שיטה להמרת אות בתדר גבוה לתדר נמוך יותר. קרדיט: Yun Zhao/Columbia Engineering
חוקרים יוצרים מכשיר קומפקטי והכל אופטי עם רעש המיקרוגל הנמוך ביותר שהושג אי פעם עבור שבב משולב.
אתגר הרעש בייצור מיקרוגל
מכשירים אלקטרוניים לניווט עולמי, תקשורת אלחוטית, מכ"ם ותזמון מדויק זקוקים למקורות מיקרוגל יציבים כדי לשמש שעונים ונושאי מידע. היבט מרכזי להגברת הביצועים של מכשירים אלה הוא הפחתת הרעש, או תנודות אקראיות בשלב, הקיים במיקרוגל.
"בעשור האחרון, טכניקה המכונה חלוקת תדרים אופטית הביאה לאותות המיקרוגל הנמוכים ביותר שנוצרו עד כה", אמר אלכסנדר גאטה, פרופסור דיוויד מ. ריקי לפיזיקה שימושית ולמדעי החומרים ופרופסור להנדסת חשמל ב- קולומביה הנדסה. "בדרך כלל, מערכת כזו דורשת מספר לייזרים ונפח גדול יחסית כדי להכיל את כל הרכיבים."
חלוקת תדרים אופטית – שיטה להמרת אות בתדר גבוה לתדר נמוך יותר – היא חידוש עדכני להפקת גלי מיקרו בהם הרעש דוכא חזק. עם זאת, טביעת רגל גדולה ברמת השולחן מונעת מינוף ממערכות כאלה ליישומי חישה ותקשורת ממוזערים הדורשים מקורות מיקרוגל קומפקטיים יותר ומאומצים באופן נרחב.
"השגנו מכשיר שמסוגל לבצע חלוקת תדר אופטית כולו על שבב בשטח קטן כמו 1 מ"מ באמצעות לייזר בודד בלבד", אמר גאטה. "אנחנו מדגימים לראשונה את תהליך חלוקת התדרים האופטי ללא צורך באלקטרוניקה, מה שמפשט מאוד את עיצוב המכשיר."
פוטוניקה קוונטית ולא לינארית: ליבת החדשנות
הקבוצה של Gaeta מתמחה בפוטוניקה קוונטית ולא ליניארית, או כיצד אור לייזר יוצר אינטראקציה עם החומר. אזורי המיקוד כוללים ננו-פוטוניקה לא ליניארית, יצירת מסרק תדרים, אינטראקציות דופק אינטנסיביות במיוחד, ויצירה ועיבוד של מצבי אור קוונטיים.
במחקר הנוכחי, הקבוצה שלו תכננה וייצרה מכשיר על-שבב, שכולו אופטי, שמייצר אות מיקרוגל של 16GHz עם הרעש בתדר הנמוך ביותר שהושג אי פעם בפלטפורמת שבב משולבת. המכשיר משתמש בשני מיקרו-תהודה העשויים מסיליקון ניטריד המחוברים זה לזה באופן פוטוני.
לייזר חד-תדר שואב את שני המיקרו-תהודה. האחד משמש ליצירת מתנד פרמטרי אופטי, הממיר את גל הקלט לשני גלי מוצא – אחד גבוה יותר ואחד נמוך יותר בתדר. מרווח התדרים של שני התדרים החדשים מותאם להיות במשטר הטרה-הרץ. כתוצאה מהקורלציות הקוונטיות של המתנד, הרעש של הפרש התדרים הזה יכול להיות פחות אלפי מונים מהרעש של גל הלייזר המבוא.
המיקרו-תהודה השני מותאם ליצירת מסרק תדר אופטי עם מרווח מיקרוגל. לאחר מכן מצמידים כמות קטנה של אור מהמתנד אל מחולל המסרק, מה שמוביל לסנכרון של תדר מסרק המיקרוגל למתנד ה-terahertz שגורם אוטומטית לחלוקת תדר אופטי.
השפעה פוטנציאלית ויישומים עתידיים
העבודה של הקבוצה של Gaeta מייצגת גישה פשוטה ויעילה לביצוע חלוקת תדרים אופטית בתוך חבילה קטנה, חזקה וניידת במיוחד. הממצאים פותחים את הדלת למכשירים בקנה מידה שבבים שיכולים לייצר אותות מיקרוגל יציבים וטהורים הדומים לאלה המיוצרים במעבדות המבצעות מדידות מדויקות.
"בסופו של דבר, סוג זה של חלוקת תדרים אופטית תוביל לעיצובים חדשים של מכשירי תקשורת עתידיים", אמר. "זה יכול גם לשפר את הדיוק של מכ"מי מיקרוגל המשמשים לרכבים אוטונומיים."
גאטה, יחד עם יון ג'או – שהיה סטודנט לתואר שני וכיום הוא פוסט דוקטורט במעבדת גאיטה – ומדען המחקר יושיטומו אוקאוצ'י, הגו את רעיון הליבה של הפרויקט. לאחר מכן, ג'או והפוסט-דוקטורט ג'ה ג'אנג עיצבו את המכשירים וביצעו את הניסוי.
הפרויקט נעשה בשיתוף פעולה הדוק עם יוג'ין היגינס פרופסור להנדסת חשמל ופרופסור לפיזיקה שימושית מיכל ליפסון וקבוצתה. קארל מקנולטי מקבוצת ליפסון ייצר את השבב הפוטוני הן בקולומביה והן באוניברסיטת קורנל. TheTerremoto Shared High-Performance Computing Cluster, שירות הניתן על ידי אוניברסיטת קולומביה טכנולוגיית מידע (CUIT), שימשה למודל של מאפייני הרעש של מתנדים פרמטריים אופטיים.
