超低雜訊光子晶片　開啟電信通訊新未來

編譯／高晟鈞

在《自然》雜誌的一項最新研究中，哥倫比亞大學Gaete實驗室開發了一種全新的光子晶片，僅僅使用單一雷射便能產生高品質、超低雜訊的微波訊號。

這種小到能夠安裝在鉛筆尖上的晶片，生產了至今為止用於光子領域中最低的微波噪聲，有望推動高速通訊、自動駕駛汽車與原子鐘技術的進步。

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光分頻技術的挑戰

用於全球導航、無線通訊、雷達定位和原子鐘等精密電子設備的微波源，需要極其穩定、低噪聲來作為資訊載體。提高這些設備性能的關鍵條件便是減少微波中存在的雜訊與相位隨機波動。

光學分頻（Optical Frequency Division）是一種將高頻訊號轉換為低頻訊號的方法，是過去十年中，用於產生微波的最新技術。光分頻可以強烈抑制雜訊，產生了迄今為止噪聲最低微波訊號。

然而，這樣的系統需要多個雷射與相對較大的佔地面積來容納所有組件。而由於小型化感測與通訊應用通常要求更緊湊的微波源，此一特性大大阻礙了其廣泛應用的腳步。

新方法

對此，Gaete實驗室設計了一種片上全光學元件，可以產生16GHz的微波訊，其頻率雜訊更是整合晶片平台有史以來的最低值。

Gaeta使用單一頻率雷射在小至1mm²的晶片上執行光學分頻。該設備由兩個氮化矽製成的微型諧振器組成，並透過光子耦合在一起。第一個諧振器的角色類似於振盪器（Oscillator），可以將輸入波轉換為高頻與低頻兩種輸出波，其頻率間隔被調整至太赫茲範圍。而由於諧振器的量子相關性，此頻率差的雜訊可以比輸入波的雜訊小上數千倍。

第二諧振器則被用於調整產生具有微波間隔的光學頻率梳（Optical Frequency Comb）。最後來自振盪器的光會與光梳耦合，導致微波梳頻率與太赫茲振盪器同步，從而自動產生光學分頻。

潛在影響

這項無須電子器件的光學分頻過程，設計簡單、有效，可以在小型且便攜性高的封裝內運作。這項研究為晶片級設備打開了大門，並帶來未來電信設備的新設計。

資料來源: Innovations

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