bởi Meeri Kim, Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng thuộc Đại học Columbia

Sơ đồ cấp cao của chip tích hợp quang tử, do phòng thí nghiệm Gaeta phát triển, dùng để phân chia tần số quang học toàn quang, hay OFD—một phương pháp chuyển đổi tín hiệu tần số cao sang tần số thấp hơn.

Trong một nghiên cứu mới của Nature , các nhà nghiên cứu của Columbia Engineering đã chế tạo một con chip quang tử có khả năng tạo ra tín hiệu vi sóng có độ nhiễu cực thấp, chất lượng cao chỉ bằng một tia laser duy nhất. Thiết bị nhỏ gọn—một con chip nhỏ đến mức có thể nhét vừa một đầu bút chì sắc nhọn—mang lại tiếng ồn vi sóng thấp nhất từng được quan sát thấy trong nền tảng quang tử tích hợp.

Thành tựu này mở ra một lộ trình đầy hứa hẹn hướng tới việc tạo ra vi sóng có độ ồn cực thấp với quy mô nhỏ cho các ứng dụng như truyền thông tốc độ cao, đồng hồ nguyên tử và xe tự hành.

Các thách thức

Các thiết bị điện tử để điều hướng toàn cầu, liên lạc không dây , radar và tính giờ chính xác cần nguồn vi sóng ổn định để đóng vai trò là đồng hồ và vật mang thông tin. Khía cạnh quan trọng để tăng hiệu suất của các thiết bị này là giảm tiếng ồn hoặc sự dao động ngẫu nhiên về pha hiện diện trên lò vi sóng.

Alexander Gaeta, Giáo sư Vật lý Ứng dụng và Khoa học Vật liệu, đồng thời là giáo sư kỹ thuật điện tại Đại học New York, cho biết: “Trong thập kỷ qua, một kỹ thuật được gọi là phân chia tần số quang học đã tạo ra tín hiệu vi sóng có độ ồn thấp nhất được tạo ra cho đến nay”. Kỹ thuật Colombia. “Thông thường, một hệ thống như vậy đòi hỏi nhiều tia laser và thể tích tương đối lớn để chứa tất cả các thành phần.”

Phân chia tần số quang học—một phương pháp chuyển đổi tín hiệu tần số cao sang tần số thấp hơn—là một cải tiến gần đây để tạo ra sóng vi ba trong đó nhiễu đã được triệt tiêu mạnh mẽ. Tuy nhiên, diện tích mặt bàn lớn khiến các hệ thống như vậy không thể tận dụng được cho các ứng dụng cảm biến và truyền thông thu nhỏ đòi hỏi nguồn vi sóng nhỏ gọn hơn và được áp dụng rộng rãi.

Gaeta cho biết : “Chúng tôi đã nhận ra một thiết bị có thể thực hiện phân chia tần số quang hoàn toàn trên một con chip trong diện tích nhỏ tới 1 mm ² chỉ bằng một tia laser duy nhất”. “Lần đầu tiên chúng tôi chứng minh quy trình phân chia tần số quang học mà không cần đến thiết bị điện tử, giúp đơn giản hóa đáng kể việc thiết kế thiết bị.”

Tiếp cận

Nhóm của Gaeta chuyên về quang tử lượng tử và phi tuyến, hay cách ánh sáng laser tương tác với vật chất. Các lĩnh vực trọng tâm bao gồm quang tử nano phi tuyến, tạo tần số, tương tác xung cực nhanh, tạo và xử lý các trạng thái lượng tử của ánh sáng.

Trong nghiên cứu hiện tại, nhóm của ông đã thiết kế và chế tạo một thiết bị toàn quang học trên chip, tạo ra tín hiệu vi sóng 16 GHz với độ nhiễu tần số thấp nhất từng đạt được trong nền tảng chip tích hợp. Thiết bị này sử dụng hai bộ cộng hưởng vi mô làm từ silicon nitride được ghép quang tử với nhau.

Một tia laser tần số đơn bơm cả hai bộ cộng hưởng vi mô. Một sóng được sử dụng để tạo ra bộ dao động tham số quang học, giúp chuyển đổi sóng đầu vào thành hai sóng đầu ra—một sóng có tần số cao hơn và một sóng có tần số thấp hơn. Khoảng cách tần số của hai tần số mới được điều chỉnh ở chế độ terahertz. Do mối tương quan lượng tử của bộ dao động, nhiễu của chênh lệch tần số này có thể nhỏ hơn hàng nghìn lần so với nhiễu của sóng laser đầu vào.

Bộ cộng hưởng vi mô thứ hai được điều chỉnh để tạo ra lược tần số quang với khoảng cách vi sóng. Sau đó, một lượng nhỏ ánh sáng từ bộ tạo dao động được ghép với bộ tạo lược, dẫn đến sự đồng bộ hóa tần số lược vi sóng với bộ tạo dao động terahertz, tự động tạo ra sự phân chia tần số quang học.

Tác động tiềm tàng

Công trình của nhóm Gaeta thể hiện một cách tiếp cận đơn giản, hiệu quả để thực hiện phân chia tần số quang trong một gói nhỏ, chắc chắn và có tính di động cao. Những phát hiện này mở ra cánh cửa cho các thiết bị có kích thước chip có thể tạo ra tín hiệu vi sóng thuần khiết, ổn định có thể so sánh với tín hiệu được tạo ra trong phòng thí nghiệm thực hiện các phép đo chính xác.

Ông nói: “Cuối cùng, kiểu phân chia tần số toàn quang học này sẽ dẫn đến những thiết kế mới cho các thiết bị viễn thông trong tương lai”. “Nó cũng có thể cải thiện độ chính xác của radar vi sóng được sử dụng cho xe tự hành.”

Gaeta, cùng với Yun Zhao — từng là nghiên cứu sinh và hiện là nghiên cứu sinh tại Phòng thí nghiệm Gaeta — và nhà khoa học nghiên cứu Yoshitomo Okawachi, đã hình thành ý tưởng cốt lõi của dự án. Sau đó, Zhao và tiến sĩ Jae Jang đã thiết kế các thiết bị và thực hiện thí nghiệm.

Dự án được thực hiện với sự cộng tác chặt chẽ của giáo sư Kỹ thuật Columbia Michal Lipson và nhóm của cô. Karl McNulty từ nhóm Lipson đã chế tạo chip quang tử ở cả Đại học Columbia và Cornell. Cụm điện toán hiệu suất cao dùng chung Terremoto, một dịch vụ do Công nghệ thông tin Đại học Columbia (CUIT) cung cấp, được sử dụng để mô hình hóa các đặc tính nhiễu của bộ dao động tham số quang học.