在一项颠覆性的科技进展中，哥伦比亚工程研究院的研究团队发明了一种微型全光学设备，这种设备能够仅使用一个单一激光器产生高质量、超低噪声的微波信号。这一成果不仅在集成芯片领域创造了最低微波噪声的新纪录，还为高速通信、原子钟和自动驾驶车辆等应用领域开辟了新的可能性。
微波信号在我们日常生活中扮演着重要角色，它们是全球导航、无线通信、雷达和精密计时设备的核心。这些设备需要稳定的微波源作为时钟和信息载体。而提高这些设备性能的关键之一，就是减少微波信号上的噪声，即相位的随机波动。
传统上，为了获得低噪声微波信号，需要使用多个激光器和一个相对较大的空间来容纳所有组件。然而，哥伦比亚工程研究院的研究团队通过在芯片上实现光学频率划分，成功地在一个仅有1平方毫米大小的微型设备上完成了这一过程，并且仅使用了单一激光器。这一创新极大地简化了设备设计，并且使得微波信号的生成更加紧凑和便携。
该研究团队专注于量子和非线性光子学，即研究激光光与物质的相互作用。在这项研究中，他们设计并制造了一个芯片上的全光学设备，能够产生16 GHz的微波信号，这是迄今为止在集成芯片平台上实现的最低频率噪声。
该设备的工作原理是使用两个由硅氮化物制成的微共振器，它们通过光子方式相互耦合。单一频率激光泵浦两个微共振器。其中一个用于创建光参量振荡器，将输入波转换为两个输出波——一个频率更高，一个频率更低。通过量子关联，这两个新频率的噪声可以比输入激光波的噪声低数千倍。
这项工作代表了一种简单有效的光学频率划分方法，可以在小巧、坚固且高度便携的封装内完成。这一发现为芯片级设备开辟了新的道路，这些设备能够产生与实验室精密测量设备相媲美的稳定、纯净的微波信号。
这项研究的潜在影响和未来应用前景广阔。它不仅可能引领未来通信设备的新设计，还可能提高用于自动驾驶车辆的微波雷达的精度。随着这项技术的进一步发展和应用，我们有望迎来一个更加高效和精确的通信新时代。
参考资料：DOI： 10.1038/s41586-024-07136-2
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