Nature：基于光子芯片的低噪声微波振荡器

摘要

摘要图
本文报道了一种基于光子芯片的微波信号生成方法，利用光学频率分频技术结合集成光子器件，实现了高性能的低噪声微波输出。通过采用自注入锁定激光器和小型法布里–珀罗腔的结合，生成频率梳信号并稳定输出，获得了20 GHz微波信号，其相位噪声在10 kHz偏移频率处低至−135 dBc/Hz。该系统显著缩小了体积并降低了功耗，为高精度导航、通信和计时系统提供了重要技术支持。

关键词

  • 光子芯片 (Photonic chip)
  • 低噪声微波 (Low-noise microwave)
  • 光学频率分频 (Optical frequency division, OFD)
  • 自注入锁定激光器 (Self-injection-locked laser, SIL laser)
  • 微谐振器频率梳 (Microcomb)
  • 法布里–珀罗腔 (Fabry–Pérot cavity, F-P cavity)

研究背景

现代科技高度依赖低相位噪声与高时间稳定性的微波信号，广泛应用于定位导航、通信、雷达感知和原子钟等领域。传统的电子方法生成微波信号面临尺寸大、功耗高的限制，而光子系统凭借高品质因子的光学谐振器展现了优异的噪声抑制能力。光学频率分频技术近年来发展迅速，但仍存在设备体积和功耗过大的问题。本文通过将自注入锁定激光器、小型法布里–珀罗腔与微梳结合，首次在光子芯片上实现了低噪声微波信号生成，为便携式高性能微波源开辟了新方向。

创新点

  • 在光子芯片上实现了基于双点光学频率分频的低噪声微波生成。
  • 提出并验证了小型法布里–珀罗腔在微波噪声抑制中的重要作用。
  • 成功将20 GHz微波信号的相位噪声降低至−135 dBc/Hz，为集成光子技术树立了新的性能基准。

研究内容

本研究设计了一种基于光子芯片的微波振荡器系统，结合了高品质因子硅氮化物（Si₃N₄）螺旋谐振器和法布里–珀罗腔，以实现光学频率分频（OFD）和低噪声微波信号生成。通过自注入锁定激光器的预稳定化，实现了两个半导体激光器的频率噪声抑制，并利用微谐振器生成宽频谱频率梳。实验表明，系统可生成重复频率为20 GHz的微梳光谱，进一步通过光电探测器输出低噪声微波信号。相位噪声测试结果显示，在10 kHz偏移处的噪声水平为−135 dBc/Hz，远低于传统光学频率分频系统。这一技术突破在大幅降低系统功耗和体积的同时，保持了卓越的噪声性能。

图1
图1 | 用于低噪声微波生成的双点光学频率分频（2P-OFD）概念。

(a) 两个半导体激光器被注入锁定至基于芯片的螺旋谐振器。通过温度控制将螺旋谐振器的光学模式与高精细法布里-珀罗（F-P）腔的模式对齐，以实现PDH锁定。
(b) 在耦合双环谐振器中生成微梳，并与两个稳定的激光器进行外差。拍频信号被混合以生成中频（\(f_\text{IF}\)），该频率通过反馈控制微梳种子激光器的电流进行锁相。
(c) 使用MUTC光电探测器芯片将微梳的光输出转换为20 GHz的微波信号。

图2
图2 | 实验装置。

两个波长为1,557.3 nm和1,562.5 nm的DFB激光器自注入锁定至Si3N4螺旋谐振器，经过放大后锁定至同一微型F-P腔。通过耦合环谐振器生成带宽为6 nm、重复率约为20 GHz的频率梳。微梳由集成的DFB激光器注入锁定至耦合环微谐振器。频率梳经过凹口滤波器以抑制中心线，然后放大至总光功率为60 mW。
频率梳分成两部分，与PDH锁定的连续波参考激光拍频。两个拍频信号经过放大、滤波后混合生成\(f_\text{IF}\)，并通过反馈锁定至参考频率。用于微梳稳定的反馈信号被提供给微梳种子激光器的电流供应部分。最后，将生成的部分微梳信号送入MUTC探测器，以提取低噪声的20 GHz信号。
下方面板显示了用于低噪声微波生成的关键光子元件的照片。比例尺（从左到右）：8 mm；约1.5 cm；4 mm；1 mm。

图3
图3 | 微梳表征。

(a) 自由运行20 GHz微梳（蓝色）、锁定的20 GHz微波（红色）和经过再生频率分频（除以2）后的锁定20 GHz微波（绿色）的单边带相位噪声（以10 GHz为基准）。
(b) 微梳的光谱（灰色）以及SIL激光器的光谱（绿色和蓝绿色）。
(c, d) 自由运行（分辨带宽为100 Hz；c）和锁定（分辨带宽为1 Hz；d）的20 GHz信号的射频光谱。

图4
图4 | 基于微梳的微波生成相位噪声比较。

所显示平台的相位噪声（以10 GHz为基准）按微梳生成器和参考激光器的集成能力分类，不包括光学/电气连接部分。
填充（空白）方块分别代表基于OFD（独立微梳）方法的系统。标注了多种基于微梳的技术和性能对比图，包括光纤辅助微梳以及商用系统的典型性能。

图5
图5 | 单芯片光子微波振荡器的设计方案。

集成系统采用本文所用的相同关键光子元件。两个螺旋谐振器SIL激光器通过PDH锁定至同一微型F-P腔，每个SIL激光器串联两个EOM：第一个用于快速相位校正，第二个用于PDH旁带。
右侧示意图展示了F-P腔接口，其中两个SIL激光器路径通过嵌入偏振分束光栅的干涉仪引导。这不仅充当反射抵消电路，还将平面波导模式调整为匹配F-P模式。F-P腔的反射信号由最右侧的探测器检测。
插图显示了由微制造镜面组成的微型F-P腔照片，总体积约为1 cm³。比例尺约为1 cm。

结论与展望

本研究在光子芯片上实现了高性能低噪声微波振荡器，为现代导航、通信和精确计时技术提供了新工具。未来工作将重点关注系统的进一步小型化与全芯片集成，以满足更广泛的便携式应用需求，同时优化频率分频效率以提升输出性能。

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原文标题：Photonic chip-based low-noise microwave oscillator

Nature 2024, 627, 534–539.

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