中科大/南开大学95后校友共同一作,师兄妹联手最新Nature!

在基于芯片的微型化平台上产生超低噪声微波和毫米波可以改变通信、雷达和传感系统，利用光学基准和光学频率梳的光学分频已成为一种强大技术，可产生光谱纯度优于任何其他方法的微波。

2024年3月6日，美国弗吉尼亚大学电气与计算机工程系易煦副教授、加州大学圣芭芭拉分校Daniel J. Blumenthal教授团队合作在Nature期刊发表题为“Integrated optical frequency division for microwave and mmWave generation”的研究论文，弗吉尼亚大学博士研究生Shuman Sun（2019年本科毕业于中国科学技术大学物理学院）、Beichen Wang博士（2018年本科毕业于南开大学物理科学学院）为论文共同第一作者，Daniel J. Blumenthal教授、易煦副教授为论文共同通讯作者。

该研究展示了一种微型光分频系统，它可以潜在地将该方法转移到互补的金属氧化物半导体兼容的集成光子平台。大模式体积、基于平面波导的光学参考线圈腔提供了相位稳定性，并通过使用在波导耦合微谐振器中产生的孤子微梳将频率从光波分至毫米波。除了实现创纪录的低相位噪声集成光子毫米波振荡器外，这些器件还可与半导体激光器、放大器和光电二极管进行异质集成，从而为基础应用和大众市场应用带来大批量、低成本制造的潜力。

该研究通过展示集成芯片级OFD，在光子微波和毫米波振荡器方面取得了显著进展。该研究基于互补金属氧化物半导体兼容的SiN集成光子平台，达到了基于集成光子的毫米波振荡器系统的创纪录低相位噪声。该振荡器的稳定性来自一对商用半导体激光器，它们的频率稳定在一个基于平面波导的参考腔内（图1）。然后使用集成孤子微梳采用两点锁定方法将两个参考激光器的频率差分至毫米波。虽然将孤子微梳与长光纤基光学基准稳定在一起的方法最近已被证实，但将其与集成光学基准相结合的方法还未见报道。微腔的小尺寸使孤子重复率达到毫米波和太赫兹频率，这在5G/6G无线通信、射电天文学和雷达中有着新兴应用。通过在高速倒装芯片键合电荷补偿型改进单行载流子光电二极管（CC-MUTC PD）上混合OFD孤子微梳产生低噪声、高功率毫米波。为了应对高频信号相位噪声表征的挑战，开发了一种新的毫米波到微波分频（mmFD）方法，在输出低噪声辅助微波信号的同时，以电子方式测量毫米波相位噪声。生成的100GHz信号在10kHz偏置频率下的相位噪声为-114dBc Hz^-1（相当于10GHz载波频率下的-134dBc Hz^-1），比以前SiN基光子微波和毫米波振荡器好两个数量级以上。当毫米波输出功率达到9dBm（8mW）时，可以保持超低相位噪声，仅比100GHz光子振荡器的最高记录低1dB。

图1. 集成OFD概念图

图3. OFD表征

图4. 集成OFD产生的毫米波的电域表征

总之，该研究利用集成OFD演示了低噪声毫米波和微波的产生。所实现的相位噪声主要受限于参考激光器中的技术噪声，未来可通过封装参考腔来隔离环境噪声，从而将相位噪声提高到参考腔的TRN极限。届时还可进一步利用共模噪声消除技术，将两个参考激光器之间的相对噪声降至TRN极限以下。此外，利用微加工反射镜在真空间隙腔中取得了有趣进展，克服了平面波导参考腔的TRN限制。基于芯片的受激布里渊激光器有助于降低高偏置频率下光学基准的相位噪声。该研究演示的分光比受限于可调激光器的频率范围，而非孤子微梳的光学跨度。通过使用色散工程微谐振器，基于微梳的OFD可以利用10s太赫兹的光学跨度甚至倍频程。此外，集成高Q值谐振器和应力光调制器的最新进展将实现对OFD微谐振器频率的反馈控制，从而大大增加OFD伺服带宽。因此，尽管该研究已经将集成光子微波和毫米波振荡器的相位噪声提高了20dB以上，但在未来，将相位噪声进一步提高几个数量级也是可行的，从而使集成光子振荡器在一定的偏移频率范围内（例如10kHz），可以与一些最好的体光学OFD振荡器相匹配。最后，通过将SiN基准腔和微谐振器与其他元件（例如半导体激光器、光放大器和光电二极管）进行异质集成，有可能实现完全集成的OFD振荡器。

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