精准的时钟同步对于导航、通信和雷达系统至关重要。美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员及其合作伙伴在时钟技术方面取得了进展，构建了能够将光转换为微波的紧凑芯片。这项技术将一个台式系统缩小到芯片大小，减少了功耗，并使其更适用于日常设备的使用。这种芯片能够改善全球定位系统（GPS）、手机和互联网连接的质量、雷达和传感系统的精确性，以及其他依赖于高精度时间和通信的技术。
传统微波振荡器的挑战：传统的微波振荡器通常使用电子元件来产生微波信号，但是它们常常受到热噪声和电路元件的非线性等问题的影响，导致输出信号的噪声水平较高，稳定性较差。
光子芯片技术的优势：光子芯片技术利用光学和微波的相互作用来实现微波振荡器，具有低噪声和高稳定性的优势。光子芯片可以利用光学谐振腔来降低噪声水平，从而实现更稳定、更精确的微波信号输出。光子芯片的制造工艺和材料选择可以减少电子元件中的热效应和器件漂移，提高振荡器的稳定性和长期性能。
最新的研究成果发表在自然杂志（Nature），标题为”Photonic chip-based low-noise microwave oscillator“。该技术减少了所谓的时间抖动，即微波信号的时间中存在的小的随机变化。类似于音乐家试图保持音乐中稳定的节拍，这些信号的时间有时可能会稍微波动一下。研究人员将这些时间波动降低到了15飞秒，使得信号在稳定性和精确性方面更加可靠，有望提高雷达的灵敏度、模数转换器的精确性以及望远镜群捕捉到的天文图像的清晰度。
这篇自然杂志的文章具体介绍了一种基于光子芯片的低噪声微波振荡器，该振荡器具有高度的定时稳定性，对现代科学和多个技术领域具有重要意义。文章首先指出了低相位噪声微波信号在定位导航、高级通信、雷达感知和高性能原子钟等领域的重要性，并强调了对微波源更高性能的需求。传统的微波振荡器存在尺寸和功耗较大的问题，难以满足现代技术对尺寸、重量和功耗的要求。
研究成果的回顾
许多现代技术都依赖微波信号的低相位噪声和精确的时间稳定性。在微波光子学领域取得了重大进展，通过使用频率梳将超稳定的光学参考信号降频生成低噪声的微波信号。然而，这些系统通常采用大块或光纤光学元件构建，难以进一步缩小尺寸和降低功耗。自然杂志刊载的文章通过利用集成光子学的成果来解决这一挑战，展示了通过两点光频分割实现低噪声微波信号的生成。窄线宽的自注锁集成激光器被稳定到一个微型法布里–珀罗腔，而激光器之间的频率间隙则通过高效的暗孤子频率梳进行分割。微型梳的稳定输出经光电探测器处理，生成了20 GHz 的微波信号，在100 Hz 偏移频率下的相位噪声为 −96 dBc/Hz，下降到在 10 kHz 偏移频率下的 −135 dBc/Hz——这些数值对于一个集成光子系统而言是前所未有的。所有光子元件都可以异质集成在一个芯片上，这对于将光子学应用于高精度导航、通信和定时系统提供了理论和实验基础。
低噪声、高定时稳定性的微波信号是现代科学和多项具有广泛社会影响的技术的关键推动因素。定位导航、先进通信、高保真雷达和感知，以及高性能原子钟等领域都依赖于低相位噪声微波信号。这些迅速发展的技术不断加剧了对超越当前能力的微波源的需求，同时对系统的尺寸、重量和功耗（SWaP）施加了更严格的限制。在这种背景下，光子光波系统相对于更传统的电子方法具有独特的优势，用于生成低噪声的微波信号。特别是，光子谐振腔的极低损耗和高品质因子对于具有最低噪声和最高光谱纯度的电磁振荡器至关重要。与此相结合的是近几十年频率梳的引入和迅速发展，使得能够在整个电磁频谱上实现无缝的相干合成。这包括将200-500 THz的光载波频率分频至10 GHz 微波频率，并具有无与伦比的长期和短期稳定性。
然而，这些方法的一个显著挑战是相对较大的尺寸和功耗，限制了它们仅能在实验室环境中使用。通过拥有紧凑便携的形态，可以在遥远和移动平台上运行，从而实现更大的影响力和广泛的应用。自然杂志的成果通过在集成光子元件中最优实现两点光频分割（2P-OFD），克服了这一挑战，如图所示。作者提供了一种显著减少微波相位噪声的方法，其体积仅为几十毫升，而不是几十升，同时将所需功率降低了103倍，达到1瓦水平。
所有光学频率分割（OFD）系统都始于稳定的光学频率参考。通常，这是一个实验室用的光纤或固态激光器，其频率被稳定到一个大型的真空法布里–珀罗（F-P）腔体上。相反，作者引入了低噪声芯片集成半导体激光器和一种新的F-P概念的最佳组合，该概念可以被微型化到小于1 cm³，并且无需高真空封装就可以芯片集成。两个近 1,560 nm 的半导体激光器的频率噪声通过自注锁定（SIL）到高品质因子 Si3N4 螺旋谐振器被降低了 40 dB。这种对 SIL 激光器的被动稳定进一步通过将其锁定到微型 F-P 腔体的 Pound–Drever–Hall（PDH）锁定，使其频率噪声进一步降低了最高 60 dB，达到了腔体的热噪声极限。
在作者的实验系统中，频率分割是通过另一个注入锁定激光器来实现的，它在一个零群速度色散（GVD）谐振器中生成微型频率梳，由一个 Vernier 结构中的两个耦合环工程设计而成。这个微型频率梳无需光学放大，约有100 mW 输入泵浦功率的 30% 能够高效地转移到频率梳上，其频谱范围几乎达到了 10 nm。然后通过混频将两个 SIL 激光器与最接近的频率梳齿进行拍频，产生两个拍频信号。这些信号混合后提供了一个中间频率的伺服控制信号，该信号独立于微型频率梳的中心频率。在中间频率被锁定的情况下，微型频率梳的噪声被显著降低。通过使用高功率和高线性的改进型单行载流子（MUTC）光电探测器对稳定的微型频率梳输出进行光电检测，可以产生一个10 kHz 偏移频率下相位噪声为 -135 dBc/Hz 的 20 GHz 微波信号。这种噪声水平在以前使用集成光子元件的系统中尚未达到。系统中使用的关键光子器件可以进一步集成到一个芯片上，无需光纤或半导体放大器或光隔离器，从而在紧凑的形态因子中提供超稳定的微波生成。这种进步对于未来具有紧凑尺寸和低功耗的高性能微波源的应用至关重要，这些源将超越研究实验室的范围。
实验的具体内容
两个分别位于1,557.3和1,562.5纳米的DFB激光器被自注锁定到Si3N4螺旋谐振器上，并被放大并锁定到同一个微型F-P腔体上。一个大约有20 GHz重复频率的宽6纳米频率梳在一个耦合环谐振器中生成。微型频率梳由一个集成DFB激光器种子化，该激光器被自注锁定到耦合环微腔中。频率梳通过一个凹槽滤波器，以抑制中心线，然后被放大到总光功率60毫瓦。频率梳被分成两部分，与PDH锁定的SIL连续波参考之一拍频。两个拍频信号被放大、滤波，然后混合在一起产生fIF，这个信号与一个参考频率相位锁定。微型频率梳稳定的反馈提供给微型频率梳种子激光器的电流供应。最后，一部分生成的微型频率梳被检测在一个MUTC探测器中，以提取低噪声的20 GHz信号。用于低噪声微波生成的关键光子组件的照片在下部。
微型F-P腔体：所生成的微波信号的相位和频率稳定性最终源自于超稳定的光参考。最低噪声的光参考是锁定到真空间隙F-P腔体的激光器，已经证明了212毫米长的低温腔体系统可以实现低至4×10−17的分数频率稳定度。而作者使用的是基于紧凑、刚性保持的圆柱形F-P光参考腔体的可集成设计，支持10−14级别的分数频率稳定度。超低膨胀玻璃和超低膨胀玻璃间隔器构成了长度为6.3毫米的腔体，其锐度约为900,000（Q≈5亿），总体积小于9立方厘米。对于偏移频率范围从1赫兹到10千赫兹，腔体受热噪声限制。此外，锁定到同一腔体的两个参考激光器之间的相对相位噪声利用了大的共模抑制（CMR），对于相隔1 THz的腔体模式，抑制达到了40 dB。当与2P-OFD结合使用时，预计腔体噪声在投射到微波载波上时将减少约80 dB。
自注锁定激光器：为了实现高稳定性性能，使用窄线宽和频率稳定的激光器至关重要。这是因为单个激光器锁定电路的电噪声不会经历共模抑制，而这种噪声仅通过2P-OFD减少。为了解决这个问题并达到F-P腔体的热噪声底线，作者使用了可集成且噪声性能相当于更大的实验室光纤激光器的SIL激光器。两个商业半导体分布式反馈（DFB）激光器通过SIL预稳定到高Q的Si3N4螺旋谐振器。当DFB激光器和Si3N4谐振器之间的正向和反向场处于同相位时，谐振的反向散射光被反馈到DFB，将每个激光器的波长锚定到相应的Si3N4谐振并显著抑制其频率噪声。DFB激光器的被动预稳定对于达到F-P腔体的热噪声极限和降低高频噪声至关重要。集成谐振器的长度和Q因子决定了SIL激光器的最终相位噪声，在这里，作者使用的是在约1平方厘米硅片上制造的长度为1.41米的螺旋谐振器。两个螺旋谐振器的固有和加载Q因子分别为164和126百万。SIL激光器的输出通过商业铒掺杂光纤放大器（EDFA）放大到约30毫瓦，然后通过PDH锁定到微型F-P腔体进行进一步的稳定。在这个设置中，PDH稳定的主要执行器是声光调制器；然而，PDH误差信号也被反馈到电光调制器（EOM）以进一步增加PDH伺服的带宽和噪声抑制。SIL激光器的PDH锁定的回环相位噪声在方法中被提出。
微型频率梳：在10-20 GHz重复频率和广泛的光覆盖下，稳健且低噪声的光频率梳生成具有挑战性。在这里，作者使用在互补金属氧化物半导体（CMOS）晶圆厂制造的Si3N4微腔来产生锁模微频率梳。为了产生具有更高带宽的暗孤子微频率梳，我们使用自由光谱范围（FSR）为20 GHz的双耦合环谐振器，其中零色散群速度波长使用集成加热器调谐到约1560纳米。此外，这种微频率梳状态具有高泵浦-频率梳转换效率，有利于在低SWaP系统中产生微波。为了生成频率梳，一个商业半导体DFB激光器在没有光放大的情况下被自注锁定到双耦合环谐振器，这会缩窄泵浦激光器的线宽并生成一个相当稳定的20 GHz频率梳。在耦合环之后，使用凹槽滤波器抑制中心（种子）频率梳线以避免在EDFA中饱和，将频率梳放大到60毫瓦。需要注意的是，耦合环谐振器上的下降端口可以替代凹槽滤波器。
a、单边带相位噪声按比例缩放至自由运行的20 GHz 微频率梳（蓝色）、锁定的20 GHz 微波（红色）和通过二次再生频率分频锁定的20 GHz 微波（绿色）。
b、微频率梳的光谱（灰色）和SIL激光器的光谱（绿色和青色）。
c、d、20 GHz 信号自由运行的射频谱（分辨率带宽（RBW）为100 Hz；c）和锁定的射频谱（RBW为1 Hz；d）。
稳定的微频率梳输出被引导到一个MUTC光电二极管，该二极管具有出色的线性度和大的微波功率。我们调整MUTC操作的偏置电压，使幅度到相位噪声转换的抑制达到约40 dB，同时在平均光电流为5 mA时生成-10 dBm的20 GHz功率。20 GHz微波信号经过滤波和放大至+3 dBm，并发送到测量系统，其结果如图所示。在此，我们通过减去6 dB将测得的20 GHz相位噪声缩放至10 GHz。这样，在100 Hz时得到-102 dBc Hz−1的值，而在10 kHz时降至-141 dBc Hz−1。我们还将其与通过再生分频二分之一电路从20 GHz生成的10 GHz载波进行了比较。与自由运行的微频率梳发生相位噪声相比，在10 kHz以下的偏移频率上，我们实现了超过50 dB的相位噪声改善。
该集成系统使用了与本工作中使用的相同的关键光子元件。两个螺旋谐振器SIL激光器通过两个串联的EOM分别PDH锁定到相同的微型F-P腔体——第一个用于快速相位校正，第二个用于PDH边带。示意图的右侧显示了F-P腔体接口，其中两个SIL激光器路径通过一个嵌入式偏振分束光栅的干涉仪。这既作为反射抵消电路，同时也塑造了平面波导模式以匹配F-P模式。来自F-P腔体的反射然后由最右侧的探测器检测到。插图显示了由微加工镜构成的微型F-P腔体的照片，其总体积约为1立方厘米。比例尺，约1厘米。
先前的工作已经为异质集成激光器和Si3N4谐振器奠定了步骤。例如，InP激光器和Si3N4谐振器已经通过绝热锥形器在同一芯片上进行了集成，光学增益和低损耗波导层之间的耦合由于第二层深埋Si3N4波导层的存在而降低到0.5 dB m^−1，这种异质集成与超高Q值谐振器的结合承诺着无隔离器的运行。相似的策略已经用于将激光器与同一芯片上的780 nm厚Si3N4异常色散微梳进行集成，该梳与本工作中使用的100 nm厚Si3N4零色散微梳相匹配。此外，激光器与调制器和探测器的集成已经被先前证明，并且可以用于完全集成PDH锁定系统的所有光学组件。
在单一平台上集成主动和被动组件极大地降低了损耗（在光纤和芯片之间）并消除了我们在当前工作中使用的光放大器的需求。在这种情况下，需要几十毫瓦的光功率来泵浦谐振器，使得具有几毫瓦光功率和每模式几微瓦的光频率梳成为现实。此外，对于SIL激光器，只需要几毫瓦的DFB光功率即可提供数百微瓦的光功率以与频率梳进行混频，并达到本工作中所呈现的性能所需的信噪比（SNR）。对于最近的集成激光器来说，这些功率是现实的。有关所需光功率的其他考虑，请参阅方法部分。
F-P腔体的集成一直是一个突出的挑战，但最近的微加工镜和紧凑的热噪声限制F-P设计提供了新的集成机会。关键是已经证明2P-OFD不需要高真空中的F-P操作，因为有了CMR，这大大简化了未来的集成。图5显示了一个具有微加工镜的1立方厘米腔体，并提供了与SIL激光器和微频率梳集成的集成策略的详细信息。平面波导馈送嵌入在干涉仪中的逆设计偏振分束光栅，这有助于形成光束以将光耦合到腔体中，同时提供腔体反射的PDH锁定信号和激光器隔离。方法部分描述的初步测量证明了这种方法的可行性。F-P腔体和梯度折射率（GRIN）透镜可以以混合翻转芯片的方式粘合在偏振分束光栅的顶部，以实现单芯片、腔体集成、低噪声微波发生器单元。
在集成方案中，声光调制器（AOM）可以用集成加热器或螺旋中的压电元件的慢反馈与DFB电流和EOM的快反馈的组合来替换。热调谐可以达到几千赫兹的带宽，而具有几兆赫带宽的快速反馈可以由EOM或电流调制提供。我们估计，这种组合可以在10 kHz的偏移频率处提供40 dB的反馈增益，以匹配所呈现的工作的相位噪声性能。为了进一步减小整个系统的尺寸，PDH锁定的调制频率以及中间频率的相位锁定可以通过使用直接数字合成器综合来合成，时钟由来自微频率梳的微波提供。
总的来说，基于光子芯片的低噪声微波振荡器在传统微波技术的基础上实现了重要的突破，具有更低的噪声、更高的稳定性等优势，为微波领域的研究和应用带来了新的可能性。未来，随着光子芯片技术的进一步发展和完善，这种新型微波振荡器有望在更多领域得到广泛应用，并为相关技术的发展带来新的动力和机遇。
Work Consulted
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[2] Kudelin, I., Groman, W., Ji, Q.-X., Guo, J., Kelleher, M. L., Lee, D., Nakamura, T., McLemore, C. A., Shirmohammadi, P., Hanifi, S., Cheng, H., Jin, N., Wu, L., Halladay, S., Luo, Y., Dai, Z., Jin, W., Bai, J., Liu, Y., … Diddams, S. A. (2024b, March 6). Photonic chip-based low-noise microwave oscillator. Nature News. https://www.nature.com/articles/s41586-024-07058-z 
