论文速览 | Nature, 2024 | 通过集成光频分频实现低噪声微波和毫米波信号的生成 | Integrated optical frequency division for microwave
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本次介绍的论文是: Nature, 2024 | 通过集成光频分频实现低噪声微波和毫米波信号的生成 | Integrated optical frequency division for microwave and mmWave generation
论文链接: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07057-0
Nature, 2024 | 通过集成光频分频实现低噪声微波和毫米波信号的生成 | Integrated optical frequency division for microwave and mmWave generation
1 介绍
在现代无线通信、雷达和遥感等领域,微波和毫米波 信号的相位噪声 越来越受到关注。相位噪声低可以提高系统的灵敏度、准确度和工作带宽。传统电路振荡器由于受到各种噪声源的影响,很难实现极低的相位噪声。而光频分频技术 凭借其卓越的频率分频特性,为生成低噪声微波和毫米波信号提供了一种新的解决方案。
2 动机
虽然体系 和光纤基光频分频技术 已经实现了世界最佳的微波和毫米波相位噪声性能,但它们的体积庞大、成本高昂、难以集成,限制了其在实际系统中的应用。相比之下,集成光子学平台 具有微小尺寸、质量轻、成本低、可大规模生产等优势,如果能够在其上实现光频分频,将极大推动相关技术的实用化进程。
不过,集成光频分频 面临着巨大挑战:
- 如何在芯片上集成高质量光参考腔,为分频提供相位稳定性?
- 如何将频率从光域高效分频到微波/毫米波域?
- 如何在芯片上生成功率充沿、噪声极低的微波/毫米波信号?
3 方法
本文提出了一种集成光频分频 新方法,如图1所示:
利用大模体积、高品质因子的环形参考腔 ,为两个半导体激光器 提供频率稳定性。这是因为参考腔的大模体积可极大降低 热致折射率噪声 ,实现极窄激光线宽;
利用f_r = (f_A - f_B)/(n-m)公式,通过kerr微环腔溶液产生的光频率阵列 将两激光器的频率差值高效分频 至微波或毫米波频率 f_r;
将分频后的光频阵列注入高功率快速光电二极管 ,通过光电混频原理生成低噪声、高功率的微波或毫米波信号。
所提出方法的关键亮点是集成了大模体积参考腔与小模体积非线性微环两种腔体,前者提供频率稳定性,后者负责频率分频。通过这种方式,成功解决了稳定性与分频效率的矛盾,实现了集成光频分频。
4 实验与结果
作者在硅基氮化硅平台 上进行了验证实验,实现了100GHz频率的低噪声毫米波信号输出,并通过新的"毫米波-微波频分"技术对相位噪声进行了表征:
两路参考激光器均锁定至4米长的耦合环形腔,受热致折射率噪声限制,相对线宽达到了36Hz的极窄水平;
溶液微环 的FSR=100GHz,通过双点锁定的OFD方法将两激光器的频差分频到100GHz重复频率;
将OFD输出的100GHz溶液阵列 注入快速MUTC光电二极管 ,通过光电混频输出100GHz毫米波,功率高达9dBm;
通过新颖的毫米波-微波频分技术(图4a),将100GHz毫米波信号分频至20GHz微波,直接测量了后者的相位噪声;
最终在10kHz偏频时,100GHz毫米波 达到了 -114dBc/Hz 的超低相位噪声,比集成光子学方法优化两个数量级以上!
5 不足与展望
虽然本文取得了突破性进展,但仍有一些不足需要在未来加以改进:
频率分频比受到可调谐激光器 范围限制,最高只能分频60倍。利用超宽谱溶液可以突破此限制;
系统复杂,包含多个分立器件(激光器、放大器等),未来应该针对异质集成 以简化结构;
环形腔的稳定性虽然已经很高,但离热致折射率噪声极限 还有差距,可借鉴新兴的真空腔体等技术;
光放大器 和光调制器 等关键器件还未集成,进一步集成可望提高整体性能和可靠性。
6 总结
本文提出了一种集成光频分频新方法,通过独特的大模体积参考腔和非线性溶液微环的组合设计 ,成功在集成光路平台上生成了低噪声、高功率的100GHz毫米波信号。与之前工作相比,相位噪声 和功率 水平均有数量级提高。虽然目前的集成度和精度还无法与体系相比,但已展现出了集成光频分频良好的发展前景。未来,异质集成、新型低噪声腔体等新技术的引入,有望进一步推进该领域的发展。