En un importante paso hacia la integración de circuitos fotónicos de microondas, investigadores del NIST han colaborado con varias organizaciones para reducir el tamaño de un sistema de sobremesa y convertirlo en un dispositivo a escala de chip para GPS, radar y comunicaciones inalámbricas.
La sincronización puede ser un problema importante entre un gran número de dispositivos conectados. Aunque los osciladores de microondas de funcionamiento libre han resuelto suficientemente este problema en el pasado, las aplicaciones de medición y comunicación más robustas requieren una reducción eficaz del ruido de fase y la sincronización entre dispositivos. Según los investigadores, la fotónica de microondas podría crear frecuencias de microondas más limpias en esos casos de uso.
El NIST y sus socios de investigación -el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, la Universidad de Yale, el Instituto Tecnológico de California, la Universidad de California Santa Bárbara, la Universidad de Virginia y la Universidad de Colorado Boulder- han anunciado un circuito fotónico que convierte la luz en microondas para mejorar los sistemas de navegación, comunicación y radar.
Cada investigador desempeñó un papel crucial en el prototipo de circuito fotónico. En primer lugar, el NIST, el JPL, la Universidad de Virginia, Caltech y UC Boulder desarrollaron un oscilador de microondas que generaba una señal de microondas aprovechando la velocidad y precisión relativamente altas de la óptica.
Para ello, enfocaron láseres semiconductores en una cavidad de referencia (un pequeño espejo) y adaptaron las frecuencias de la luz al tamaño de la cavidad. Para ello era necesario ajustar perfectamente los picos y valles de las ondas luminosas entre las paredes de la cavidad. La luz acumulaba potencia en esas frecuencias, manteniendo estable la frecuencia del láser. A continuación, un peine de frecuencias convertía esa luz estable de alta frecuencia en señales de microondas de tono bajo.
Los dos láseres de onda continua, diseñados por Caltech, crearon frecuencias únicas que se “bloquearon” con microresonadores de bloqueo por autoinyección (SIL) y cavidades Fabry-Perot, diseñadas por UC Boulder. Estos láseres actuaron como referencia para crear dos frecuencias de batido únicas con la ayuda de un tercer láser y un microcomb para crear un peine de frecuencias con bloqueo de fase.
El microcombio era un componente clave del dispositivo, ya que generaba las frecuencias ópticas espaciadas a 20 GHz que, en última instancia, creaban la salida de microondas. El microcombo utilizaba un resonador de anillo doble acoplado diseñado por investigadores de la UCSB y Caltech.
La salida del peine estaba formada por muchas frecuencias ópticas separadas por 20 GHz. Se introdujo en un fotodetector de portadora unitaria móvil modificado (MUTC), que creó una señal de microondas de 20 GHz. El elevado factor Q de los resonadores ópticos creó una señal de microondas con un ruido de fase extremadamente bajo. Estas microondas son esenciales para mantener una temporización y sincronización precisas en tecnologías como el radar, las redes de comunicación y los sistemas de navegación.
Aunque hace tiempo que existen sistemas basados en el principio de funcionamiento (muy simplificado) antes mencionado, se han limitado principalmente a sistemas de sobremesa. Por ello, hasta ahora resultaba poco práctico utilizar un sistema de este tipo en un dispositivo real. Sin embargo, con el esfuerzo colectivo del NIST y sus colaboradores, los diseñadores están un paso más cerca de emplear la óptica en aplicaciones de microondas.
En comparación con la electrónica de microondas tradicional, el oscilador óptico de microondas presentaba un ruido de fase mucho menor, con valores tan bajos como -102 dBc/Hz a 100 Hz de desplazamiento y -141 dBc/Hz a 10 kHz de desplazamiento, lo que representa una reducción de 50 dB del ruido de fase cerca de la portadora. Como resultado, la aplicación de la fotónica de microondas podría mejorar potencialmente las aplicaciones de alta precisión.
El oscilador fotónico de microondas podría ser el primer paso hacia la integración de láseres, moduladores, detectores y amplificadores ópticos en un solo chip. Si se sigue desarrollando, esta investigación podría facilitar considerablemente el traslado de señales sensibles y de bajo ruido del laboratorio a las manos de técnicos de radar, astrónomos y operadores de torres de telefonía móvil, entre otros.
