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技術前沿

科學家開發(fā)超低噪聲微波信號光學系統(tǒng),有望用于無線通信領域

激光制造網 來源:DeepTech深科技2024-07-29 我要評論(0 )   

微波信號受到量子噪聲或熱噪聲的影響,其頻率容易產生不同程度的漂移。目前,5G 通信、雷達、電子等諸多領域都在尋求能夠兼具低噪聲和高頻率的微波信號。為解決上述問題...

微波信號受到量子噪聲或熱噪聲的影響,其頻率容易產生不同程度的漂移。目前,5G 通信、雷達、電子等諸多領域都在尋求能夠兼具低噪聲和高頻率的微波信號。

為解決上述問題,美國哥倫比亞大學團隊開發(fā)了一種新型光學系統(tǒng),其僅通過單激光器即可產生兼具高質量和超低噪聲的微波信號。

該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于設備的小型化,其集成在 1 平方毫米(1 毫米×1 毫米),厚度為 400 微米的芯片上。并且,在 10kHz 偏移頻率條件下,還創(chuàng)造了迄今為止集成光子學平臺中低噪聲微波信號的新紀錄-128dBc/Hz。

該技術在自動駕駛(例如車載雷達)、無線通信和精密計量(例如原子鐘)等領域,具有廣泛的應用潛力。

具體來說:

在自動駕駛領域,微波信號直接影響著車載雷達的精確度。高質量的微波有助于車載雷達更精準地測量信號,以預測和判斷對面物體的運動狀態(tài)。

在無線通信領域,微波信號則與運載信息量息息相關。高質量的微波信號,意味著能夠攜帶更多的頻率調制信息,從而提升無線通信的效率。

在精密計量領域,這一系統(tǒng)可以與原子氣體模塊集成,產生更加便攜的原子鐘。

圖丨通過分頻產生片上低噪聲微波(來源:趙昀)

日前,相關論文以《使用單激光器進行全光分頻》(All-optical frequency division on-chip using a single laser)為題發(fā)表在 Nature 上[1]。

哥倫比亞大學博士后研究員趙昀是第一作者,亞歷山大·L·蓋塔(Alexander L.Gaeta)教授擔任通訊作者。

圖丨相關論文(來源:Nature)

光學對于高頻率的微波信號來說,具有顯著的優(yōu)勢。由于光學本身頻率在幾百太赫茲范圍內,因此基于光學產生的微波信號,從本質上是將高光學頻率降到較低的微波頻率。

也就是說,越高的微波頻率離光學的本征頻率越近。用電子的方法,微波頻率的噪聲會更高,而用光學方法則不受該因素的影響,因此高頻率微波可以產生超低噪聲。

圖丨光參量振蕩器噪聲和光參量振蕩-孤子同步的數值模擬(來源:Nature)

從光學信號產生微波信號,需要讓產生的微波信號與之前非常高質量的光學信號同步。

此前的做法需要測量這兩個信號之間的誤差,然后采用電子或機械的方法加以修正;而該課題組所提出的新方法在程序上更簡單,不需要進行任何測量,即可將光學系統(tǒng)和微波自動鎖定在一起。

據介紹,該研究的設計靈感來源于螢火蟲群體的同步發(fā)光現(xiàn)象:它們熒光閃爍和熄滅的頻率總是同步的。

趙昀解釋說道:“這個同步現(xiàn)象的關鍵點在于,只要每個物理個體之間發(fā)生非常微弱的耦合,它們的頻率就可以同步起來,并不需要額外的測量與修正,這樣可以節(jié)省大量的空間和能耗?!?/p>

圖丨趙昀(來源:趙昀)

該研究相當于將非線性的參量振蕩器與頻率梳進行同步。從物理圖景上來理解,參量振蕩器可看作是一個非常小的勢壘,而頻率梳則可看作為一個粒子。

當粒子滾動到參量振蕩器勢壘的最低勢能處,便不再滾動而是穩(wěn)定下來。此時,其所產生的微波信號也不再改變。

此前,如果想產生穩(wěn)定光學信號的做法通常是,把一束激光穩(wěn)定到物理振動腔,以測量激光與震動腔之間的誤差信號,再用電子和機械的方式來穩(wěn)定這束激光。

而在這次新研究中,該團隊采用了一種純物理的、全新的光學信號產生方式:非線性光學中的參數振蕩法。

“我們發(fā)現(xiàn),參數振蕩法能夠非常有效地分別隔絕量子噪聲和熱噪聲,不僅可以獲得比光學腔本身更穩(wěn)定的信號,同時,它的量子真空極限比大多數的激光器低得多?!壁w昀說。

與其他同步研究不同的是,以往研究中一般為相同頻率振子之間的同步,而在該研究中,基于諧波系統(tǒng)同步,兩個振子之間的頻率差異為 468 倍。

“這在之前的光學系統(tǒng)和其他的物理生物系統(tǒng)中都是很少能觀測到的,該研究擴展了同步研究系統(tǒng)的范圍?!壁w昀表示。

圖丨可電子檢測的微波產生(來源:Nature)

這次研究為領域帶來了新的方案,但也有一些器件探索的空間,例如,微波信號噪聲并沒有完全隔離系統(tǒng)的熱噪聲。

圖丨亞歷山大·L·蓋塔(Alexander L.Gaeta)教授課題組(來源:趙昀)

因此,在下一階段的研究探索中,研究人員計劃繼續(xù)改進參量振蕩器的性能,通過調整參量振蕩器不同頻率的 Q 值等方式,更好地隔絕熱噪聲。另一方面,目前該課題組在高偏移頻率下,受到量子噪聲的限制。

趙昀表示:“我們發(fā)現(xiàn),有可能通過量子態(tài)相關操作,讓參量震蕩器的性能超越真空噪聲極限,從而進一步降低它產生的微波噪聲。目前,我們已經取得了一些初步進展?!?/p>

參考資料:

1.Zhao, Y., Jang, J.K., Beals, G.J. et al. All-optical frequency division on-chip using a single laser. Nature 627, 546–552 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07136-2

運營/排版:何晨龍


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