Fotonische microgolffilters herconfigureren zonder extern apparaat

De bevindingen zijn gepubliceerd in Nature Communications.

Op dit moment kunnen fotonische microgolfsystemen nog steeds geen lichtpulsen genereren op computerchips – een ontwikkeling die de chips milieuvriendelijker, goedkoper en praktischer in gebruik zou maken. Maar hier hebben de onderzoekers nu een doorbraak bereikt: ze hebben herconfigureerbare radiofrequentiefilters ontwikkeld die microgolven van hoge kwaliteit kunnen produceren zonder dat er een omvangrijk extern apparaat nodig is. Door interferentie tussen twee pulsen in een microcomb te creëren, konden ze de pulsen nauwkeurig regelen om de uitgaande radiofrequentie opnieuw te configureren.

Een fotonisch microgolffilter zet een inkomende radiofrequentie om in een optisch signaal dat vervolgens kan worden verwerkt door een fotonisch apparaat om informatie te extraheren. Een fotoreceptor zet het signaal dan weer om in een radiofrequentie. In april slaagden onderzoekers van het EPFL K-Lab erin om verschillende soorten microkammen op een siliciumnitride-chip te genereren om hoogwaardige solitonpulssignalen te produceren. Vervolgens moesten ze aantonen dat de pulssignalen konden worden gebruikt om de microgolven opnieuw te configureren en dat het systeem net zo flexibel, lineair, spectraal zuiver en ruisvrij was als de vorige, omvangrijkere apparaten. En daarvoor hebben de onderzoekers van het Photonics Systems Lab de chip geoptimaliseerd.

De technologie die wordt gebruikt in deze chips, die kleiner zijn dan een munt, is gebaseerd op de wisselwerking tussen licht en de omgeving. De golflengte van het signaal kan worden gewijzigd door de lichtbron te variëren of door de vorm of het materiaal van het optische kanaal te veranderen. "Door een lichtbron te gebruiken die verschillende golflengten kan combineren, kunnen we de filterstructuur vrij eenvoudig houden", legt Camille Brès uit, die het Photonics Systems Lab leidt. "Als we de frequentie opnieuw kunnen configureren door de lichtpuls te veranderen, hoeven we de fysieke ondersteuning niet te veranderen." De belangrijkste prestatie van de onderzoekers is dat ze de lichtgeneratoren van laptopformaat konden vervangen door miniatuur optische resonatoren op de chip die laserpulsen gebruiken om perfecte solitonen te genereren.

De uitgaande frequentie wijzigen

Om deze filters in verschillende toepassingen te kunnen gebruiken, moeten ze ook in staat zijn om de uitgaande radiofrequentie te veranderen. "Huidige filters vereisen programmeerbare pulsvormen om de uitgaande frequentie in te stellen en de golfkwaliteit te verbeteren, wat de systemen complex en moeilijk op de markt maakt", zegt hoofdauteur Jianqi Hu. Om dit obstakel te overwinnen, genereerden de onderzoekers interferentie op de chip tussen twee solitonen – door de hoek ertussen aan te passen, konden ze de filterfrequentie opnieuw configureren. Deze doorbraak betekent dat deze systemen volledig draagbaar gemaakt kunnen worden en gebruikt kunnen worden met 5G- en terahertz-golven.