缩小合成器

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仅仅几十年前,在收音机或电视上发现一个特定的频道意味着用手拨动一个旋钮,然后做一些小的调整,以适应正确的信号。这不再是这种情况,多亏了一种叫做射频合成器的东西,它能产生精确的信号频率。

虽然无线电频率控制早已掌握,但光学频率控制仍然存在于过去的“调谐器旋钮”时代。这是因为光学频率比无线电频率(100兆赫)要高很多(2亿兆赫)。精确地设置从激光器发射的光的绝对频率或颜色是困难的,因为激光频率倾向于像电台曾经那样漂移。

光学频率合成器提供了前所未有的性能,但直到现在已经大,昂贵和耗电。为了解决这些限制,国防高级研究计划局(DARPA)在2014推出了直接芯片上的数字光学合成器(DODOS)程序。

现在,一个加州大学圣塔巴巴拉分校的科学家团队,包括电气和计算机工程教授John Bowers,他的同事卢克-蒂奥加拉詹和四UCSB研究生研究人员,在基于芯片的集成光子学和非线性光学方面取得了重大进展。这就为光学合成器提供了微型的、节能的部件。他们的研究结果发表在《自然》杂志上。

UCSB的Fred Kavli纳米科技主任Bowers说:“我们采取了一种占据整个光学平台,重量50磅,使用了千瓦功率,并通过将关键元素集成到硅光子集成电路上,使其数量级更有效的技术。”校园能源效率研究所。

光学频率合成器在各种科学努力中被证明是非常有价值的,从通过遥远的行星搜索天空到通过敏感的激光光谱学探测化学物质,并通过使用光作为标尺来实现高精度的光探测和测距(激光雷达)。测量距离

“光学频率合成的发展大大提高了我们准确和精确地测量时间和空间的能力,”DARPA项目经理Gordon Keeler领导道渡渡鸟说。然而,我们利用该技术的能力有限。通过DoDOS,我们正在创建能够实现更广泛部署和解锁大量应用的技术。其目标是将实验室级的能力缩小到一个方糖的大小,以用于诸如激光雷达、相干通信、化学传感和精密计量等应用。

结合一对频率梳、几个微型激光器和其他紧凑的光电子器件,研究人员能够在三个微芯片上复制桌面光学频率合成器的能力,每个尺寸小于5毫米×10毫米。

ToGaRajaAn和他的学生设计和开发了电集成电路来控制合成器,合成器可以调谐超过50纳米,并在平均输入匹配时钟的一秒之后,输出频率稳定度为7×10-13和nbsp。稳定的时钟很重要。

Bowers解释说:“时钟越精确,你就越能分辨距离或速度,或者做导航。”“GPS具有一定的分辨率。你的电话会把你定位在几米之内。但是如果你有一个更好,更稳定的时钟,你可以更精确地三角化,并获得更好的分辨率。它叫做PNT,用于“精确导航和计时”。

科学家们通过在硅芯片上制造的光学跑道周围循环使用单色“泵浦”激光器产生的激光来制造这两个小型化的频率梳。这样做可以产生许多额外的颜色,产生一个看起来像梳子的光谱,每个“牙齿”都是一个单独的颜色或频率。这是一个显著的背离光学频率合成器的桌面版本,它使用光纤、专用反射镜和手工制作的大机械部件来实现类似的效果。

DoDOS计划正在进入其最后阶段,在此期间,研究人员将致力于将各个部件与电子器件集成,并制造适用于未来军用和商用光学系统的紧凑封装器件。该合成器可以应用于导航、光谱学和天文学等领域。

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