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Geração de sinal RF simples / duplo amplamente ajustável por um laser monolítico de DFB de três seções

Resumo


Um laser de feedback distribuído de três seções com um par 2,5 InP / ar de refletores Bragg distribuídos (DBRs) foi fabricado e analisado em termos de sua capacidade de geração de microondas. Um único sinal de frequência de rádio (RF) amplamente sintonizável pode ser detectado usando heterodinação óptica e a faixa de sintonia é de 2 a 45 GHz. A incorporação da terceira seção oferece uma oportunidade de apresentar a operação de RF dupla quando três picos de emissão estão próximos um do outro no domínio do comprimento de onda. O projeto proposto fornece um aprimoramento de 21,3% na faixa de sintonia de RF em comparação com a faixa de um laser de duas seções (35,29 GHz contra 42,81 GHz). A compactação do dispositivo proposto pode ser útil para futuras aplicações de rádio sobre fibra.

Introdução


Com o advento da nova tecnologia sem fio do futuro, a instalação da rede celular evoluiu para uma nova era:um grande número de estações base micro ou nanométricas são necessárias e uma transmissão de micro-ondas com eficiência energética pode ser esperada [1, 2 ] Para construir essa infraestrutura sem fio, uma boa fonte de micro-ondas é necessária. No passado, vários métodos foram propostos e demonstrados para gerar microondas (como as bandas X / Ka). O uso de feixe de elétrons e osciladores reversos (BWO) pode fornecer alta intensidade de microondas (geralmente na faixa de várias centenas de megawatts a até giga-watts), e eles são amplamente aplicados no campo do radar, sensoriamento remoto, comunicações e plasma ciências [3,4,5]. No entanto, essa tecnologia é difícil de ajustar a frequência de emissão porque ela é pré-determinada pela estrutura fixa de guia de ondas, e o tamanho dessa estrutura é geralmente em milímetros ou centímetros. Outro método é aplicar o efeito do elétron transferido em um diodo Gunn [6,7,8,9]. O recurso de semicondutor do diodo Gunn é muito atraente, pois seu tamanho pode variar de dezenas de mícrons a submícrons. A potência de saída entregue também é impressionante:de vários a dezenas de miliwatts. Mas o dispositivo geralmente requer outro circuito para fornecer um bom sinal, e também tem uma sintonização de frequência limitada, que é limitada pelo tempo de transmissão da portadora inerente ao longo do comprimento do dispositivo [10].

Além desses métodos tradicionais, a futura estação base sem fio requer não apenas alta eficiência, mas também pequena área ocupada e implantação em larga escala. A arquitetura de uma pequena estação e a implementação de um sistema massivo de múltiplas entradas e saídas demonstram a necessidade de fotônica de microondas [11]. Dispositivos fotônicos e infraestruturas podem reduzir a complexidade de uma rede, aumentar a distância de transmissão e melhorar a segurança da transmissão. Uma combinação de uma picocélula (célula pequena) e uma rede de fibra pode transmitir com eficiência uma grande quantidade de dados em uma longa distância [12]. Portanto, um tipo diferente de dispositivo fotônico é necessário para realizar tais esquemas, especialmente para gerar um sinal de RF forte com alta sintonização e para permitir multitarefa. Um sistema de laser bloqueado por injeção foi proposto para geração de RF com largura de linha estreita [13]. Heterodyning vários lasers com um loop de bloqueio de fase óptico tem sido usado para gerar sinais de RF de canal único ou duplo de alta qualidade e outros circuitos para fornecer um bom sinal, e a transmissão de dados pode ser mostrada nestes esquemas anteriormente [14,15, 16]. Integração de laser múltiplo para geração de microondas pode ser realizada usando integração de grade de guia de onda (AWG) [17] e um controlador de interrupção programável em cascata serial [18]. Todos esses estudos se basearam em óticas precisamente alinhadas e múltiplas fontes de laser para fornecer fótons suficientes para interagir.

Para reduzir ainda mais a área de cobertura exigida do sistema, é necessário um design integrado. Considerando todos os métodos que foram publicados anteriormente, acreditamos que a geração fotônica por micro-ondas integrada pode ser um bom candidato [18] porque (a) o tamanho do chip pode ser reduzido de forma semelhante aos wafers de Si. O tamanho atual de nossos chips fotônicos pode variar de dezenas a centenas de mícrons, mas é possível reduzir ainda mais a área ocupada. (b) A mistura fotônica pode fornecer alguns dos melhores sinais de RF nas literaturas anteriores. Por exemplo, usando o esquema de bloqueio por injeção, o ruído de fase pode ser bastante reduzido, o que é muito importante para o sinal de RF [19]. (c) Corrente elétrica externa para sinal de RF amplamente ajustável. Ao ajustar as correntes de injeção, os chips fotônicos de micro-ondas podem facilmente realizar uma ampla faixa de geração de frequência por meio de várias interações de fótons, como alteração do índice de refração ou heteródino óptico, etc. [20, 21]. A variedade de propriedades físicas dos fótons torna o chip fotônico muito versátil em termos de sintonia de frequência. Para utilizar plenamente as vantagens fotônicas mencionadas acima, cores diferentes de fótons coerentes devem ser capazes de ser integradas neste projeto de chip. Neste estudo, um laser de feedback distribuído de três seções (DFB) com isolamento óptico DBR foi desenvolvido pela primeira vez. O laser proposto pode operar como uma portadora de RF sintonizável simples ou uma portadora e fonte de dados com dois tons de RF. As características deste dispositivo integrado podem ser totalmente investigadas e analisadas, e postulamos que este dispositivo pode ser benéfico para futura integração fotônica de microondas.

Métodos

Fabricação de dispositivos


Neste estudo, as bolachas foram inicialmente cultivadas usando um sistema de deposição de vapor químico metalorgânico. Poços quânticos InGaAsP foram usados ​​como a região ativa, e o comprimento de onda de laser alvo foi de aproximadamente 1550 nm. As grades dos lasers DFB foram fabricadas usando litografia de feixe eletrônico. Depois que o procedimento epitaxial foi concluído, o wafer foi processado com os processos de semicondutores padrão de deposição de filme, corrosão seca / úmida e metalização que são descritos em [21]. O wafer foi diluído até 100 μm e polido para deposição de contato de metal no lado posterior (AuGe / Ni / Au) para terminar todas as etapas de processamento. A próxima etapa seria cortar o wafer em barras e cortá-las em chips para embalagem, e o tamanho do chip é 250 × 900 μm 2 . O chip de laser integrado foi anexado a uma submontagem de cerâmica e ligado por fio para sondagem e teste. Um refletor de Bragg com distribuição de ar / semicondutor foi gravado usando um sistema de feixe de íons focado em nanoescala (FIB) (modelo Tescan no. GAIA3). A tecnologia FIB emprega íons Ga acelerados com energia de 30 keV e corrente de feixe de 0,4 nA para bombardear o semicondutor alvo (como InP ou Si). Com sua precisão de escala nanométrica, o sistema FIB pode realizar a interseção DBR para o laser de três seções. O DBR é composto por seções de ar e InP com largura de 1162 nm para a seção de ar e 584 nm para a seção de InP. A gravação mais profunda é de 7 μm no wafer. Para controlar a rugosidade interfacial de ar / semicondutor, otimizamos a taxa de corrosão FIB para 33 nm / s. A Figura 1 exibe a imagem esquemática e SEM do dispositivo acabado. Os 2,5 pares de DBRs de ar / InP entre a seção podem fornecer alta refletividade óptica e isolamento elétrico, e eles dividem um chip integrado em três seções:S 1 , M e S 2 , conforme mostrado na Fig. 1. Adaptamos a notação dos lasers de bloqueio por injeção em que os lasers mestre e escravo são comumente usados ​​para dispositivos de bombeamento e bombeamento.

Imagem esquemática e SEM do dispositivo a laser DFB de três seções

Heterodinâmica óptica


Heterodização óptica é um método de geração de um sinal de RF em muitas estruturas fotônicas de micro-ondas [22, 23]. Esta técnica gera um sinal de RF sintonizável pela mistura de diferentes comprimentos de onda de fótons [24, 25]. Primeiro, definimos os dois sinais diferentes E 1 e E 2 do seguinte modo:
$$ {E} _1 ={\ mathrm {E}} _ {01} \ left ({\ upomega} _1t + {\ upvarphi} _1 \ right), $$ (1) $$ {E} _2 ={\ mathrm {E}} _ {02} \ left ({\ upomega} _2t + {\ upvarphi} _2 \ right), $$ (2)
onde E 01 e E 02 são as amplitudes, ω 1 e ω 2 são as frequências e φ 1 e φ 2 são as fases correspondentes a E 1 e E 2 , respectivamente. Então, a intensidade do sinal de mixagem total I t pode ser descrito da seguinte forma [26]:
$$ {I} _t ={\ left ({E} _1 + {E} _2 \ right)} ^ 2 ={E_ {01}} ^ 2 {\ mathit {\ cos}} ^ 2 \ left ({\ upomega } _1 \ mathrm {t} + {\ upvarphi} _1 \ right) + {E_ {02}} ^ 2 {\ mathit {\ cos}} ^ 2 \ left ({\ upomega} _2 \ mathrm {t} + { \ upvarphi} _2 \ right) + {E} _ {01} {E} _ {02} \ left \ {\ mathit {\ cos} \ left [\ left ({\ upomega} _1 + {\ upomega} _2 \ right ) t + \ left ({\ upvarphi} _1 + {\ upvarphi} _2 \ right) \ right] + \ mathit {\ cos} \ left [\ left ({\ upomega} _1 - {\ upomega} _2 \ right) t + \ esquerda ({\ upvarphi} _1 - {\ upvarphi} _2 \ direita) \ direita] \ direita \}, $$ (3)
Ao medir o sinal total, apenas o E 01 E 02 × cos [(ω 1 - ω 2 ) t + (φ 1 - φ 2 )] termo pode ser observado porque os termos de alta frequência (como ω 1 e ω 2 e ω 1 + ω 2 ) estão acima do limite de detecção do fotodetector. O sinal de RF detectado final é obtido na seguinte frequência:
$$ \ Delta \ mathrm {f} =\ mathrm {c} \; \ left (\ frac {1} {\ lambda_1} \ hbox {-} \ frac {1} {\ lambda_2} \ right) $$ (4 )
No dispositivo atual, fótons com vários comprimentos de onda podem ser gerados simultaneamente, de modo que um heteródino pode ocorrer em diferentes frequências simultaneamente. Como o comprimento de onda de emissão de cada laser pode ser controlado pela corrente de injeção, várias combinações de correntes podem fornecer sinais de saída de RF simples e duplos do mesmo dispositivo. Essas condições são discutidas posteriormente neste artigo.

Sistema de medição


Para avaliar apropriadamente os dispositivos a laser, a potência de saída é cuidadosamente acoplada por fibra a um fotodetector calibrado (PD). A extremidade da fibra foi clivada com uma inclinação de 8 ° para reduzir a reflexão da faceta. Um controlador de polarização e isoladores adequados foram instalados para garantir feedback mínimo para o laser e potência de saída máxima após a heterodinação. Um amplificador de fibra dopada com érbio é uma peça opcional do equipamento que pode ser desprezada se o sinal for suficientemente forte. Um fotodetector de alta velocidade (um PD de 50 GHz, u2tPhotonics®, AG) ou outro PD (1414, New Focus®) foi usado para detectar o sinal fotônico misto. O sinal elétrico obtido após a heterodinação foi introduzido em um analisador de sinais (N9030PXA, Keysight®), e o espectro de frequência diferencial do sinal foi apresentado. Por outro lado, o espectro óptico combinado foi lido usando um analisador de espectro óptico (OSA; AQ6317B, Ando®).

Resultados

Características do dispositivo DC


Assim que a fabricação do dispositivo for concluída, as características DC podem ser testadas. A Figura 2a exibe as curvas genéricas de potência-corrente-tensão (L-I-V) de um laser DFB genérico fabricado usando este wafer. A corrente limite pode ser menor que 10 mA. Os dispositivos individuais têm uma cavidade de 300 μm e potência de saída da ordem de miliwatts. A grade na estrutura fornece o feedback necessário e a seleção do modo para permitir que o laser opere no modo único. O espectro de potência observado quando os três lasers são ligados é apresentado na Fig. 2b. Uma taxa de supressão do modo lado alto superior a 50 dB foi medida para o caso de DFB único. A operação de modo único favorável é essencial para que a heterodinação óptica seja bem-sucedida. Quando os sinais ópticos são obtidos dos dois lados, o S 1 e S 2 as seções exibem uma resposta mais forte em comparação com a resposta da seção intermediária (seção M), conforme apresentado na Fig. 2b por causa da alta reflexão das seções DBR centrais que bloqueiam a potência de saída da seção M. O espaçamento do modo óptico pode ser alterado usando as correntes de injeção elétrica. Essa flexibilidade fornece uma variedade de combinações dos três modos desses lasers. A Figura 3 exibe os espectros ópticos dependentes da corrente. Todos os três picos podem ser ajustados, e o espaçamento entre dois picos pode ser crítico para a geração do sinal de RF. Quando os dois picos estão suficientemente próximos, a mistura de quatro ondas (FWM) ocorre entre esses dois comprimentos de onda de fótons [27]. Quando dois picos estão distantes, nenhum efeito FWM está presente. O FWM melhora a partir da modulação não linear da concentração de portadores no meio de ganho do laser [27]. A modulação leva a um efeito heteródino mais forte entre diferentes cores de fótons e pode produzir um sinal de saída de RF mais forte. Na curva superior apresentada na Fig. 3, vários picos são gerados no espectro óptico devido a esta forte interação FWM. O espaçamento entre os picos ainda é o mesmo que a diferença entre as duas frequências originais misturadas.

a Curvas LIV genéricas do laser DFB. b Espectro óptico com um, dois e três lasers DFB ligados

Espectro óptico de um laser de três seções com e sem o efeito FWM. A legenda apresenta a combinação atual (em mA) de S 1 –M – S 2 seção em cada espectro

Geração de RF de modo único amplamente ajustável


Quando a corrente de injeção varia, o comprimento de onda de emissão do laser DFB varia, conforme mencionado anteriormente. Assim, o resultado da heterodinação óptica muda em conformidade neste dispositivo. O sinal de RF heterodinado pode ser medido usando um fotodetector de alta velocidade [20]. A qualidade do sinal pode ser identificada usando uma configuração PXA. A Figura 4a exibe espectros elétricos detalhados do sinal de RF sintetizado. O sinal de modo único aumenta 40,4 dB acima do nível de ruído e a intensidade de pico pode chegar a -20 dB. A resolução mais precisa no espectro de RF revela os detalhes do sinal, e o espectro pode ser ajustado usando a função Lorentzian para determinar a largura de linha. A largura de linha usual é de aproximadamente 12 a 16 MHz, conforme mostrado na Fig. 4b. A largura de linha individual do pico de RF é definida pela adição das larguras de linha dos picos dos lasers DFB, que variam de 5 a 7 MHz neste wafer. Uma das características importantes desse projeto é a geração de RF de modo único amplamente ajustável. A combinação dos três tons de laser fornece uma faixa de distribuição de RF mais ampla. Um sinal de RF de modo único pode ser sintonizado continuamente de 2 a 45 GHz.

Espectros elétricos do sinal de RF sintetizado. a Sinal RF de modo único. b A estimativa da largura de linha do sinal de RF de modo único

Operação em modo RF duplo


Devido à terceira seção adicional no laser, o dispositivo integrado pode fornecer padrões de sinal de RF mais complicados do que os lasers com duas seções. O modo RF duplo de uma maneira controlável pode ser um recurso favorável para vários fins. Nesse dispositivo, o modo dual ocorre apenas quando os três comprimentos de onda dos lasers estão próximos um do outro. Quando o efeito FWM pode ser iniciado por todos os três lasers, dois sinais de RF com frequências diferentes são observados. Na Fig. 5, os espectros ópticos e elétricos são exibidos lado a lado para ilustrar esse cenário. Nesta figura, os picos das seções S 1 e M estão próximos ao nível de baixa corrente. Assim, um forte FWM ocorre entre o S 1 e seções M, e um forte pico de RF é produzido em torno de 7,86 GHz (traço A). Aumentamos a corrente da seção S 1 deslocar para o vermelho seu pico em direção à seção S 2 . A maior frequência de pico de RF aumenta quando a separação entre S 1 e as seções M ficam grandes (traço B). No entanto, como os picos do S 1 e S 2 as seções se aproximam, o efeito de heterodinação entre esses dois grupos de fótons fica mais forte. Assim, no traço C, o sinal de RF principal torna-se a frequência diferencial de S 1 e S 2 . Além disso, a interação entre S 1 e M permanece, e um sinal de RF mais fraco correspondente a essa interação é observado em 21,6 GHz. Aumentando ainda mais a corrente para S 1 , o pico principal diminui em frequência porque o pico da seção S 1 o vermelho muda em direção ao pico da seção S 2 . Enquanto isso, o azul de pico menor muda para uma frequência mais alta porque o pico da seção S 1 afasta-se do pico da seção M (traço C a E).

Modo duplo a óptico e b Espectros de RF sob diferentes combinações de correntes. As correntes do S 2 e as seções M são mantidas as mesmas enquanto a corrente do S 1 seção é variada de 20 a 70 mA (mostrado em a ) No traço A, λ M S1 S2 , e a sequência torna-se λ M S2 S1 no traço H

No traço F, G e H, a distância entre o pico de emissão da seção S 1 e M é muito grande. Assim, nenhuma mistura ocorre entre essas duas seções, e S 1 ultrapassa gradualmente S 2 quando a corrente de S 1 Está melhorado. O pico de RF resultante primeiro reduz e, em seguida, aumenta em termos de frequência. Esse comportamento é semelhante ao do laser de duas seções demonstrado anteriormente.

Discussão

Efeito do número de pares


O DBR é inserido entre os lasers para fornecer isolamento óptico entre as cavidades, para fornecer reflexão suficiente entre as duas facetas de cada seção do laser DFB para aumentar a probabilidade de obtenção de emissão monomodo e, finalmente, para fornecer isolamento elétrico suficiente entre as seções. Se o número de pares for muito pequeno, o isolamento elétrico pode não ser suficiente para manter o bombeamento independente entre as seções. Como a resistência de um diodo laser individual é aproximadamente igual ou inferior a 10 Ω, um isolamento elétrico de 10 3 Ω ou superior é o preferido. Além disso, se o número de pares DBR for muito pequeno, as seções individuais não podem diferenciar suas próprias refletividades da faceta frontal ou traseira, e isso pode levar a modos de lasing imprevisíveis nas seções frontal e traseira (S 1 e S 2 ) Para a seção intermediária (seção M), menos pares de DBRs causam uma condição ressonante inferior e baixa finesse da cavidade, levando a nenhum laser. Por outro lado, se o número de pares DBR for muito grande, a seção central pode perder no modo múltiplo. Esse tipo de lasing causa muito pouca, às vezes zero, saída de RF.

Função da seção intermediária


Devido ao alcance limitado do FWM em nossos dispositivos de duas seções, o ajuste de pico de RF às vezes ficava entre 20 e 30 GHz. O laser de duas seções fortemente acoplado também pode produzir muitos modos não lineares complicados de operação, como período 1 e caos, conforme demonstrado anteriormente [20]. Quando a terceira seção foi inserida no chip de laser, a faixa de ajuste foi melhorada devido ao efeito de ajuste térmico extra dos dispositivos. Conforme mostrado na Fig. 6, quando as correntes do S 1 e S 2 as seções são fixas, a corrente linearmente variável da seção M pode fornecer um aumento adicional na sintonia de RF de 1,68 GHz. O pico obtido da seção M não causa uma forte mistura óptica e, portanto, todas as principais interações de RF são entre os fótons do S 1 e S 2 Seções. O ligeiro aumento na separação de pico também pode ser observado nos traços com altas correntes de entrada da seção M. Em outros dispositivos, um aumento na RF de até 3,82 GHz foi registrado. Esta mudança adicional na frequência de RF sintetizada devido à corrente da seção M extra pode tornar a sintonia contínua mais viável no laser de três seções. Uma comparação entre I M valores de 0 e 65 mA em um dispositivo específico fornecem uma diferença de 7,52 GHz (Δ f =42,81 GHz para I M =65 mA e Δ f =35,29 GHz para I M =0) na faixa de sintonia. Em geral, vários intervalos de sintonia GHz podem ser adicionados quando a seção M é ativada eletricamente e a mudança de combinações de corrente pode somar e aumentar o intervalo de sintonia geral consideravelmente. Esse fenômeno pode ser atribuído à dependência desigual do comprimento de onda térmico nos dispositivos individuais. A desigualdade se deve a fatores como variação local de dopagem, uma região FIB não cortada (causando vazamento) e a dependência da corrente não linear do comprimento de onda de emissão. Na maioria dos casos, a frequência de pico de RF tende a aumentar quando a terceira seção é ativada.

Espectro óptico de um laser de três seções com duas seções laterais (S 1 e S 2 ) com entradas fixas. A corrente injetada na seção intermediária (M) aumenta de 0 a 70 mA. A inserção apresenta o aumento de frequência correspondente nos RFs

Operação em modo simples ou duplo


A análise da operação do laser de três seções parece complicada no início. Neste parágrafo, trazemos uma perspectiva de uma preocupação fundamental, se o dispositivo irá operar no modo simples ou duplo. A Figura 7 apresenta os dois modos de operação mais comuns de nosso laser de três seções. As localizações mútuas no domínio óptico revelaram que foram considerados dois casos:no primeiro caso, o terceiro pico estava longe dos dois picos restantes. No segundo caso, o terceiro pico estava ativamente próximo aos picos no S 1 e S 2 Seções. No primeiro caso, que é mostrado na Fig. 7a, os fótons que estão distantes (pico da seção M) têm muito poucas interações com os outros dois picos (picos do S 1 e S 2 Seções). Apenas os picos do S 1 e S 2 as seções são suficientemente próximas para exibir o efeito FWM. Nesta condição, o laser de três seções atua como o laser de duas seções demonstrado anteriormente e um único pico de RF é gerado pela mistura dos picos do S 1 e S 2 Seções. A função do pico da seção M é fornecer uma extensão ou redução do pico de RF com base nos coeficientes de comprimento de onda térmico das seções DFB. No segundo caso mostrado na Fig. 7b, os três picos estão próximos um do outro. Este caso é mais complicado. A proximidade dos comprimentos de onda dos fótons solicita a geração do efeito FWM, e mais de uma frequência diferencial pode ser gerada devido a esse fenômeno. Assim, as duas principais combinações entre os S 1 , S 2 e as seções M fornecem os componentes constituintes do espectro de RF, e o laser pode operar no modo RF duplo. No entanto, uma vez que um dos FWM é enfraquecido pela separação dos picos devido à injeção de corrente, o dispositivo retorna ao modo único.

Diagrama abrangente dos modos de operação para lasers DFB de três seções: a Um pico está longe e os outros dois estão próximos um do outro e b todos os três picos estão próximos um do outro

Conclusões


Um laser de três seções foi fabricado com o propósito de geração de RF. Neste laser, 2,5 InP / pares de ar de DBRs foram colocados entre as seções. Este laser de seção múltipla fornece um sinal de RF de modo único com alta sintonização de 2 a 45 GHz. A terceira seção adicional permite o ajuste térmico para esta operação de modo único e também é essencial para a operação de modo RF duplo. Um forte fenômeno FWM foi observado a partir do espectro óptico e foi confirmado pela realização de medição de pico de RF. O modelo de deslocamento de comprimento de onda dependente da corrente pode ser aplicado para a verificação dos RFs. O laser de três seções proposto fornece um aumento de 21,3% na faixa de sintonia de RF em comparação com a faixa do laser de duas seções. Além da operação de modo único, um sinal de RF de modo duplo também foi demonstrado quando os comprimentos de onda dos três lasers estão próximos um do outro. As frequências de RF na operação de modo duplo podem ser modificadas pela injeção de corrente contínua em qualquer uma das seções. Acreditamos que o laser proposto será útil para melhorar o desempenho de futuros dispositivos fotônicos de microondas e obter uma rede fotônica de microondas altamente eficiente.

Disponibilidade de dados e materiais


Todos os dados e materiais do manuscrito estão disponíveis.

Abreviações

DBRs:

Refletores Bragg Distribuídos
RF:

Frequência de rádio
AWG:

Grade de guia de ondas arranjada
BWO:

Osciladores reversos
DFB:

Feedback distribuído
FIB:

Feixe de íons focado
PD:

Fotodetector
OSA:

Analisador de espectro óptico
FWM:

Mixagem de quatro ondas

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