新研究利用小型光子芯片产生谱系纯净的微波信号

  在电信、精确定时和高级导航系统领域，谱系纯净的微波信号(spectrally pure microwave signals)的生成起着举足轻重的作用。传统上，这项任务充满了挑战，主要是由于电子系统固有的噪音和尺寸限制。然而，由美国哥伦比亚大学的一项开创性研究通过引入一种全光学芯片级别的方法来生成超低噪声微波信号，标志着光子技术及其在各种科技领域的应用的重大飞跃。

  该突破的核心是一个紧凑的光子芯片，可使用一种被称为光学分频（ optical frequency division, OFD）的技术产生高质量的微波信号。这种方法传统上需要笨重的设置和多个激光器，而这项研究在芯片上重新构想和实现这个功能，相关芯片非常小，可以放在铅笔尖上。该设备实现了在集成光子学平台上观察到的最低微波噪声，为依赖微波信号的设备开辟了一条有前途的道路——从高速通信系统到原子钟，甚至无人驾驶汽车。

  该研究的重点是弥合微波信号和光学频率之间的巨大频率差距。虽然微波位于300 MHz到300 GHz的范围内，但光学频率飙升到太赫兹到千兆赫兹的尺度。这种差异使用光子芯片中的光学频率梳来弥合，从而可以通过OFD精确生成微波信号。该过程涉及单个激光器，在芯片上泵送两个微谐振器，同步不同的动态状态，以创建一个光学参数振荡器和Kerr soliton梳（Kerr soliton comb）。这种光和物质之间的复杂舞蹈，在微观尺度上来管理，导致相位噪声的显著减少和传统电子源不能够比拟的信号纯度的提高。

  哥伦比亚大学的相关小组专门从事量子和非线性光子学，专注于激光如何与物质相互作用，以带来手头的创新。通过利用非线性纳米光子学、频率梳生成和光的量子态原理，他们为这种紧凑型设备仅使用单个激光器在芯片上完全执行光学频分的能力铺平了道路。这种方法不仅简化了设备设计，还大幅度减少了对电子元件的需求，为微波信号生成提供了更简化、更节能的解决方案。

  这项研究的与众不同之处在于，它消除了对多个激光器和复杂、耗空间的组件的需求，这些组件历来是生成光谱纯微波信号的主要元件。通过在芯片上实现OFD，研究团队有效地将该过程小型化，能够在不牺牲性能的情况下将这项技术集成到紧凑型设备中。16 GHz soliton梳的46 dB相位噪声减少证明了这项技术在精度和实用性方面都优于现有方法的潜力。

  在电信领域，在芯片上生成超低噪声微波信号的能力能带来更可靠、更高效的数据传输，为更快、更安全的通信网络铺平道路。对于对GPS等全球导航卫星系统至关重要的原子钟来说，增强的信号纯度可以明显提高精度和可靠性。此外，汽车行业，特别是在开发无人驾驶汽车雷达系统方面，将从这项技术中受益匪浅，这有几率会使更安全、更准确的导航和检测系统。

  虽然目前的研究标志着一个重要的里程碑，但旅程并没有到此结束。研究团队设想进一步探索其技术的应用，并有可能将这些光子芯片集成到无数的设备和系统中，进一步压缩和增强我们每天依赖的技术。能够产生具有实验室级纯度的微波频率的芯片规模设备的前景为精密测量、高速数据传输等方面的创新打开了新的大门。