Photonische Mikrowellenerzeugung unter Verwendung von optischen On-Chip-Frequenzkämmen

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In unserer Informationsgesellschaft sind die Synthese, Verteilung und Verarbeitung von Funk- und Mikrowellensignalen in drahtlosen Netzwerken, in der Telekommunikation und in Radarsystemen allgegenwärtig.

Die derzeitige Tendenz geht dahin, Träger in höheren Frequenzbändern zu verwenden, insbesondere bei drohenden Bandbreitenengpässen aufgrund der Nachfrage nach z.B.

5G und dem “Internet der Dinge”.

Die “Mikrowellenphotonik”, eine Kombination aus Mikrowellentechnik und Optoelektronik, könnte eine Lösung bieten.Ein wichtiger Baustein der Mikrowellenphotonik sind optische Frequenzkämme, die Hunderte von äquidistanten und gegenseitig kohärenten Laserlinien liefern.

Es handelt sich um ultrakurze optische Pulse, die mit einer stabilen Wiederholungsrate ausgesendet werden, die genau dem Frequenzabstand der Kammlinien entspricht.

Die Photodetektion der Pulse erzeugt einen Mikrowellenträger.In den letzten Jahren gab es beträchtliche Fortschritte bei Frequenzkämmen im Chip-Maßstab, die von nichtlinearen Mikroresonatoren erzeugt werden, die von Dauerstrichlasern angetrieben werden.

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Diese Frequenzkämme beruhen auf der Bildung von dissipativen Kerr-Solitonen, das sind ultrakurze kohärente Lichtimpulse, die in optischen Mikroresonatoren zirkulieren.

Aus diesem Grund werden diese Frequenzkämme allgemein als “Soliton-Mikrokämme” bezeichnet.Die Erzeugung von Soliton-Mikrokämmen erfordert nichtlineare Mikroresonatoren, und diese können mit Hilfe der CMOS-Nanofabrikationstechnologie direkt auf dem Chip aufgebaut werden.

Die Kointegration mit elektronischen Schaltungen und integrierten Lasern ebnet den Weg für die Bekämpfung der Miniaturisierung und ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungen in der Metrologie, Spektroskopie und Kommunikation.Ein EPFL-Forschungsteam unter der Leitung von Tobias J.

Kippenberg hat nun in Nature Photonics integrierte Soliton-Mikrokämme mit Wiederholungsraten bis hinunter zu 10 GHz demonstriert.

Erreicht wurde dies durch eine signifikante Senkung der optischen Verluste integrierter photonischer Wellenleiter auf der Basis von Siliziumnitrid, einem Material, das bereits in mikroelektronischen CMOS-Schaltungen verwendet wird und das im letzten Jahrzehnt auch….

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