Исследователи разработали надежную «радугу на чипе», отдельными частотами которой можно управлять, сохраняя при этом высокую стабильность (концепт художника). Источник: SciTechDaily.com

Крошечный чип, генерирующий точно организованную «радугу» света, может помочь в создании более быстрой и емкой связи 6G, а также более точного хронометража для квантовых технологий.

Микрочип размером с рисовое зернышко может генерировать тщательно упорядоченный спектр света и преобразовывать его в несколько высокочастотных электромагнитных сигналов, называемых миллиметровыми волнами. По словам физиков из Университета Лафборо и их международных коллег, этот подход в перспективе может стать основой для технологий, требующих большой пропускной способности и исключительно точных сигналов.

Миллиметровые волны особенно привлекательны для будущих систем связи, поскольку они обеспечивают гораздо большую пропускную способность, фактически создавая дополнительную емкость для передачи данных. Сложность заключается в том, чтобы воспроизвести эти частоты с точностью и стабильностью, необходимыми для современных систем.

«Мир становится все более требовательным к объему данных. Мы хотим отправлять и получать больше информации, быстрее и с более высоким разрешением, и миллиметровые волны могут помочь в этом», — сказал доктор Люк Питерс из Исследовательского центра новой фотоники при Университете Лафборо.

«В конечном итоге они могут способствовать созданию более быстрых сетей 6G с большей пропускной способностью, но их потенциал выходит далеко за рамки коммуникаций. Эти частоты также можно использовать в радиолокационных системах, а также в спектроскопических и астрономических приборах, которые помогают ученым изучать материалы и проводить чрезвычайно точные измерения во Вселенной.

«До внедрения этих приложений еще далеко, и предстоит решить ряд проблем, прежде чем технологию можно будет использовать в реальных системах, но наша последняя работа позволила справиться с одной из самых серьезных». 

Слева направо: доктор Луана Оливьери, доктор Люк Питерс и доктор Антонио Кутрона из Исследовательского центра эмерджентной фотоники Университета Лафборо изучают точно организованный спектр света, создаваемый их системой, который можно преобразовать в несколько высокочастотных сигналов, известных как миллиметровые волны. Фото: Университет Лафборо

Один чип генерирует множество точных сигналов

Исследователи генерировали миллиметровые волны с помощью микрорезонатора — точно упорядоченного набора световых частот, который напоминает цвета радуги, но находится за пределами восприятия человеческого глаза. Затем специальная антенна может преобразовывать эти оптические частоты в миллиметровые волны.

Более ранние исследования показали, что микрорезонаторы могут генерировать одну точную частоту миллиметровых волн. Одновременная генерация множества частот может обеспечить несколько каналов для одновременной передачи данных, но для этого требуется микрорезонатор с необычайно высокой стабильностью и чистотой.

В статье, опубликованной в Nature Communications, исследователи из Лафборо продемонстрировали систему, способную генерировать такой тип стабильных высококачественных микрорешеток. Затем их оптические частоты можно было преобразовать в несколько точно расположенных друг от друга частот миллиметрового диапазона одновременно.

Разница заключается в способе генерации микрорельефа. В обычных системах лазерный свет обычно направляется в микрорезонатор — крошечную структуру, изготовленную на чипе, которая улавливает свет и позволяет ему циркулировать. 

Почему сравнение с «радугой»? Как и радуга, микрорезонатор состоит из множества различных частот света. В радуге эти частоты смешиваются. В микрорезонаторе частоты разделены и находятся на точно заданном расстоянии друг от друга — как зубцы гребня. Свет, излучаемый микрорезонатором в этом исследовании, невидим для человеческого глаза. Иллюстрация создана с помощью искусственного интеллекта. Источник: Университет Лафборо

Система Лафборо объединяет микрорезонатор на основе чипа с гораздо более крупной петлей оптического волокна. Лазерный свет многократно проходит через оба компонента, способствуя формированию и поддержанию желаемых оптических состояний.

«По сути, мы создали невероятно точную и стабильную «радугу на чипе», где петля продолжает пропускать свет через чип, что позволяет этим состояниям эффективно накапливаться, возникать самостоятельно и оставаться стабильными даже при нарушении работы системы, — говорит доктор Питерс.

— Кроме того, система удивительно устойчива». Мы даже заставляли людей прыгать рядом с системой, и микрорешетка оставалась стабильной».

Миллиметровые волны сохраняют исходную точность

Исследователи также показали, что можно регулировать отдельные частоты в «радуге» микрорешетки, усиливая одни и ослабляя другие. Важно отметить, что точность и стабильность оптической микрорешетки сохранялись после преобразования частот в сигналы миллиметрового диапазона.

«Возможность усиливать или ослаблять отдельные частоты дает нам гораздо больший контроль над генерируемыми сигналами, поскольку для разных областей применения требуются разные комбинации частот», — сказал доктор Питерс.

«Не менее важно и то, что мы показали, что точность микрорельефа сохраняется и на миллиметровых волнах. Это дает нам целый набор высококонтролируемых сигналов, а это именно то, что нужно для областей применения, где важны точность и стабильность.

Такой же уровень точности важен для синхронизации». Точное синхронизирование лежит в основе новых квантовых технологий, где требуется высочайшая точность». 

«Радуга на чипе»: крошечный микрочип, содержащий микрорезонатор, который генерирует точно организованную «радугу» световых частот, известную как микрорешётка. Чип размером с рисовое зёрнышко, для масштаба показана монета в один евро. Фото: Университет Лафборо

Сейчас исследователи изучают, как можно применить эту технологию за пределами лабораторных экспериментов.

Несмотря на то, что центральный микрочип размером всего с рисовое зернышко, весь аппарат в настоящее время занимает площадь стола. Будущие версии будут потреблять меньше энергии и занимать значительно меньше места, что позволит уменьшить всю систему примерно до размеров обувной коробки.

Одна из возможностей, которую хотят изучить исследователи, — размещение этой технологии на спутниках, где особенно важно минимизировать размер, вес и энергопотребление.

Следующая задача — уменьшить размеры системы

Исследователи также проверяют пределы точности микросоты. В сотрудничестве с Национальной физической лабораторией они сравнивают эту систему с высокоточными часами и изучают возможности ее применения в хронометрии, навигации и определении местоположения. Эта работа также вносит вклад в деятельность Национальной физической лаборатории и британского Центра квантовой навигации и хронометрии (QEPNT).

«Нам не терпится узнать, насколько мы сможем повысить точность и стабильность этих микрорешеток, особенно для технологий, которые зависят от чрезвычайно точного хронометража», — сказал доктор Антонио Кутрона, руководивший измерениями стабильности микрорешеток.

“Мы надеемся, что это исследование и наша система откроют новые способы применения необычайной точности атомных часов в более компактных технологиях определения времени, навигации и определения местоположения, и особенно интересно исследовать эти возможности в рамках нашего более широкого сотрудничества с Национальной физической лабораторией и Британским центром определения местоположения, навигации и определения времени с использованием квантовых технологий ”.

Ссылка: “Millimetre-wave comb generated by an optical microcomb” by L. Peters, A. Cutrona, A. R. Cooper, L. Olivieri, F. Getman, V. Cecconi, N. Paul, D. Das, M. Rowley, S. T. Chu, B. E. Little, R. Morandotti, D. J. Moss, J. S. Totero Gongora, A. Pasquazi and M. Peccianti, 20 August 2026, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-026-76747-2