研究人員創造出一種緊湊型全光學設備，其微波雜訊是迄今為止整合晶片中最低的。在《自然》雜誌的一項新研究中，哥倫比亞工程學院的研究人員製造出一種光子晶片，只需使用單一雷射就能產生高品質、超低雜訊的微波訊號。

蓋塔實驗室開發的光子整合晶片的高級示意圖，該晶片用於全光學光分頻（OFD）–一種將高頻訊號轉換為低頻訊號的方法。圖片來源：Yun Zhao/哥倫比亞工程學院

這種晶片非常小巧，可以裝在鋒利的鉛筆尖上，是迄今為止在整合光子平台上觀察到的最低微波雜訊。這項成果為高速通訊、原子鐘和自動駕駛汽車等應用提供了一條通往小尺寸超低雜訊微波產生器的光明之路。

用於全球導航、無線通訊、雷達和精密計時的電子設備需要穩定的微波源作為時鐘和資訊載體。要提高這些設備的性能，關鍵在於減少微波中存在的雜訊或相位隨機波動。

“在過去的十年中，一種被稱為光分頻的技術產生了迄今為止噪音最低的微波信號，”哥倫比亞工程學院應用物理和材料科學大衛-M-里基教授兼電氣工程教授亞歷山大-蓋塔說。 “通常情況下，這樣的系統需要多個雷射和相對較大的體積來容納所有元件。”

光分頻–一種將高頻訊號轉換為低頻訊號的方法–是最近產生微波的創新技術，其中的雜訊已被大大抑制。然而，由於光分頻系統佔用桌面空間較大，因此無法用於微型感測和通訊應用，而這些應用需要更緊湊的微波源，因此光分頻系統已被廣泛採用。

蓋塔說：”我們已經實現了一種設備，只需使用單個雷射器，就能在面積小至1 平方毫米的晶片上完全實現光分頻。我們首次展示了無需電子設備的光學分頻過程，大大簡化了設備設計。”量子與非線性光子學：創新的核心

蓋塔的研究團隊專門研究量子和非線性光子學，即雷射如何與物質相互作用。研究的重點領域包括非線性奈米光子學、頻率梳生成、強超快脈衝相互作用以及光量子態的生成和處理。

在目前的研究中，他的研究小組設計並製造了一種片上全光學元件，該元件能產生16 GHz 的微波訊號，其頻率雜訊是迄今在整合晶片平台上實現的最低頻率雜訊。該設備使用兩個由氮化矽製成的微諧振器，透過光子耦合在一起。

單頻雷射泵浦兩個微諧振器。其中一個用於產生光參量振盪器，將輸入波轉換成兩個輸出波–一個頻率較高，一個頻率較低。兩個新頻率的頻率間隔被調整為太赫茲頻率。由於振盪器的量子相關性，這種頻率差異的雜訊可比輸入雷射波的雜訊小數千倍。

第二個微諧振器經調整後可產生具有微波間隔的光頻梳。然後，振盪器發出的少量光被耦合到梳狀頻率產生器，使微波梳狀頻率與太赫茲振盪器同步，自動實現光分頻。潛在影響與未來應用

蓋塔研究小組的工作代表了一種在小型、堅固和高度便攜的封裝內進行光學分頻的簡單而有效的方法。這些研究成果為晶片級設備打開了大門，這些設備能夠產生穩定、純淨的微波訊號，可與進行精密測量的實驗室產生的訊號相媲美。

他說：”最終，這種全光分頻將帶來未來電信設備的新設計。它還能提高用於自動駕駛汽車的微波雷達的精度。”

編譯自: ScitechDaily