蘇州納米所梁偉研究員合作發(fā)表National Science Review論文:緊湊型全光鎖定低噪聲光子微波振蕩器
高性能微波生成技術(shù)直接決定了電子通信、雷達(dá)及傳感系統(tǒng)的核心能力。傳統(tǒng)的電子技術(shù)在追求高頻時(shí),噪聲性能會(huì)急劇惡化。雖然微波光子技術(shù)能利用光波的高頻特性來(lái)打破這一限制,有望從光域“搬運(yùn)”出低噪聲微波,但其復(fù)雜的系統(tǒng)架構(gòu)和龐大的體積,長(zhǎng)期以來(lái)阻礙了其走出實(shí)驗(yàn)室、邁向?qū)嶋H應(yīng)用。針對(duì)這一挑戰(zhàn),研究團(tuán)隊(duì)成功研制出一種基于光學(xué)鎖定微光學(xué)參考的緊湊型振蕩器。其核心創(chuàng)新在于采用雙激光自注入鎖定方案,將兩個(gè)分布式反饋激光器同時(shí)鎖定到一個(gè)體積僅為1 mL的超高Q值法布里-珀羅腔,可天然抑制共模噪聲,實(shí)現(xiàn)了超過(guò)20 dB的共模噪聲抑制。

圖1. 基于高Q值微法布里-珀羅參考腔的緊湊型低噪聲光子微波振蕩器概念。主要由三部分組成:i) 微型光學(xué)參考系統(tǒng)。構(gòu)建了一個(gè)微型微光學(xué)系統(tǒng),產(chǎn)生具有高共模噪聲抑制的雙自注入鎖定激光,作為頻率穩(wěn)定的微型光學(xué)參考;ii) 片上頻率分頻器。高性能薄膜鈮酸鋰級(jí)聯(lián)調(diào)制器產(chǎn)生電光頻率梳。在最近的兩對(duì)頻率梳上產(chǎn)生攜帶放大相位噪聲信息的新中頻信號(hào);iii) 微波發(fā)生器??烧{(diào)電子振蕩器產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)調(diào)制器的微波信號(hào)。由中頻信號(hào)和本地振蕩信號(hào)產(chǎn)生的誤差信號(hào)通過(guò)伺服控制反饋到振蕩器,形成微波振蕩環(huán)路,產(chǎn)生低噪聲微波信號(hào)。
整個(gè)系統(tǒng)被集成在一個(gè)體積僅為166 mL的緊湊模塊中,將雙波長(zhǎng)穩(wěn)頻激光耦合進(jìn)入一個(gè)高性能的薄膜鈮酸鋰級(jí)聯(lián)電光調(diào)制器芯片,轉(zhuǎn)換為兩套重復(fù)頻率相同的電光頻率梳,通過(guò)外差拍頻產(chǎn)生誤差信號(hào),并利用伺服反饋鎖定一個(gè)可調(diào)電子振蕩器。最終在10.4 GHz頻率下實(shí)現(xiàn)了低噪聲微波生成,其單邊帶相位噪聲在10 Hz、10 kHz和10 MHz偏移頻率處分別為-54 dBc/Hz、-141 dBc/Hz和-162 dBc/Hz,同時(shí)支持超過(guò)350 kHz的無(wú)模跳連續(xù)調(diào)諧。
這項(xiàng)工作成功地將高性能光子微波振蕩器從復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng),轉(zhuǎn)化為一個(gè)緊湊、穩(wěn)定、可部署的工程化模塊。它通過(guò)全光學(xué)鎖定的微型參考腔與薄膜鈮酸鋰集成電光梳的協(xié)同創(chuàng)新,解決了該領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的集成度與噪聲性能之間的矛盾,為在精密授時(shí)、雷達(dá)傳感和下一代移動(dòng)通信等平臺(tái)上的實(shí)際應(yīng)用鋪平了道路。未來(lái)可通過(guò)進(jìn)一步提升腔體Q值、拓寬光梳光譜以實(shí)現(xiàn)更高分頻比,以及通過(guò)異質(zhì)集成技術(shù)進(jìn)一步縮小系統(tǒng)體積。
該工作由南京大學(xué)祝世寧院士團(tuán)隊(duì)的謝臻達(dá)教授、賈琨鵬副教授團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所梁偉研究員團(tuán)隊(duì)合作完成,成果以Optically locked low-noise photonic microwave oscillator為題,發(fā)表于National Science Review。
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