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Rauscharme Mikrowellensignale sind für zahlreiche Anwendungen wie Hochgeschwindigkeits-Telekommunikation und ultraschnelle Datenverarbeitung von entscheidender Bedeutung. Konventionell werden solche Signale mit sperrigen und empfindlichen Mikrowellen-Oszillatoren erzeugt, die für Anwendungen im Freien nicht geeignet sind. Doch seit kurzem erforschen Physikerinnen eine mögliche Alternative: hochwertige Mikrowellenerzeugung mit optischen Mikroresonator-Frequenzkämmen.
Auf der Grundlage der hohen optischen Frequenz und spektralen Reinheit von Laserfeldern können optische Mikroresonatoren rauscharme Mikrowellen auf kompakte und effiziente Weise erzeugen. Allerdings kann ein Mikroresonator in der Regel nur Mikrowellen mit sehr begrenzter Frequenzabstimmbarkeit erzeugen. Der Grund dafür ist, dass die Mikrowellenfrequenz von der Grösse des Resonators abhängt, der selbst nicht sehr gut justierbar ist.
Forschende des Labors von Tobias Kippenberg an der EPFL, des Trinity College Dublin (TCD) und der Dublin City University (DCU) haben jetzt eine neuartige Technik zur Erzeugung variabler rauscharmer Mikrowellen mit einem einzigen optischen Mikroresonator entwickelt und in Science Advances publiziert.
Bei diesem Ansatz wird ein Mikroresonator-Frequenzkamm in einen kompakten Laser injiziert, dessen Intensität durch einen handelsüblichen Mikrowellen-Oszillator moduliert wird. Indem die Modulationsfrequenz gezwungen wird, einer subharmonischen Frequenz der durch den Mikroresonator-Frequenzkamm erzeugten Mikrowelle genau zu folgen, konnte das Team erfolgreich neue Mikrowellen erzeugen, deren Frequenzen erheblich variiert werden können.
Darüber hinaus weisen die neu erzeugten Mikrowellen ein wesentlich geringeres Phasenrauschen auf als die eines Mikroresonator-Frequenzkammoszillators und handelsüblicher Mikrowellenoszillatoren. Dieser als Frequenzteilung bezeichnete Mechanismus wird verwendet, um die Frequenzreinheit eines optischen Signals in die Mikrowellendomäne zu übertragen.
Ein mit einem Mikroresonator-Frequenzkamm injizierter, schnell modulierter Halbleiterlaser kann gleichzeitig rauscharme Mikrowellen und Frequenzkämme mit variablen Frequenzabständen erzeugen. Kredit: W. Wenle (EPFL)
Die entwickelte Technik ermöglicht die Übertragung der spektralen Reinheit zwischen verschiedenen Mikrowellensignalen. «Traditionell war es nicht einfach, eine perfekte Mikrowellen-Frequenzteilung auf variable Weise auszuführen», erklärt Dr. Wenle Weng, die die Studie leitete. «Dank des von unseren Kolleginnen und Kollegen bei TCD und DCU entwickelten schnell modulierten Halbleiterlasers können wir dies nun mit einem kostengünstigen Photodetektor und einem moderaten Kontrollsystem erreichen. Der Halbleiterlaser erzeugt auch einen Sekundärfrequenzkamm mit stärker verdichteten spektralen Emissionen, der in vielen spektroskopischen Anwendungen nützlich sein kann.»
Die Schlüsselkomponenten für den Aufbau des Proof-of-Concept-Experiments, einschliesslich des Mikroresonators und des Halbleiterlasers, sind diskret und mit langen Fasern verbunden. Das Team arbeitet nun an der Integration und dem fortgeschrittenen Packen des Geräts. Ein solcher variabler Mikrowellen-Oszillator und Frequenzkammgenerator, der miniaturisiert und in Massenproduktion hergestellt werden kann, kann den derzeit stark wachsenden Markt für tragbare rauscharme Mikrowellen- und Frequenzkammquellen revolutionieren.