亮点 | 集成PZT孤子微梳，实现片上光学频率分频的高速反馈调控

Photonics Research 2026年第2期Editors’ Pick：

Ruxuan Liu, Mark W. Harrington, Shuman Sun, Fatemehsadat Tabatabaei, Samin Hanifi, Meiting Song, Kaikai Liu, Jiawei Wang, Haoran Chen, Zijiao Yang, Beichen Wang, Fateme Majdi, Paul A. Morton, Karl D. Nelson, Steven M. Bowers, Andreas Beling, Ryan Q. Rudy, Iain M. Kierzewski, Daniel J. Blumenthal, Xu Yi, "Photonic chip-based optical frequency division with PZT-integrated soliton microcombs," Photonics Res. 14, 621 (2026) 

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高稳定性微波与毫米波信号源在无线通信、雷达、精密测量等领域有着广泛应用，传统电子信号源的相位噪声随着频率升高而快速恶化，成为限制系统性能的瓶颈。基于光分频原理的光子学微波与毫米波产生技术有望克服这一限制，然而光分频系统通常依赖声光移频器等高速反馈调控元件，增加了系统复杂度和体积。弗吉尼亚大学易煦副教授、刘汝萱研究员团队报道了一种新型的毫米波光分频系统，通过在氮化硅微腔芯片上集成PZT压电执行器，实现了对孤子光频梳重复频率的高速反馈调控。生成110 GHz毫米波的相位噪声低至–114 dBc/Hz@10 kHz。该技术为进一步提升片上光分频系统的带宽和集成度提供了技术基础，在6G通信、相控阵雷达及高精度时频传递等领域具有应用潜力。

——薛晓晓长聘副教授，清华大学

Photonics Research 青编委

随着高稳定度微波与毫米波信号在无线通信、相控阵雷达、精密计时以及高分辨率成像等领域的广泛应用，超低相位噪声射频源的产生成为了关键技术问题。传统电子振荡器受限于材料与器件物理机制，其相位噪声性能难以进一步突破。光学频率分频技术（Optical Frequency Division，OFD）通过光频梳将光学参考激光的高稳定度转移至微波与毫米波频段，为生成超低噪声信号提供了有效途径。近年来，随着集成光子学与高Q微腔技术的发展，片上OFD振荡器已然实现。然而，在现有片上OFD系统中，孤子微梳的稳定通常依赖对泵浦激光频率或功率的反馈控制；这种方式在调控带宽、系统复杂度及长期稳定性方面仍存在限制。因此，一个核心科学问题在于如何在芯片层面实现对孤子微梳重复频率的直接、高带宽调控，从而简化系统结构并提升性能。

弗吉尼亚大学易煦副教授、刘汝萱研究员团队提出并实现了一种基于铅锆钛酸盐（Lead zirconate titanate，PZT）压电执行器调控的集成光学频率分频系统。系统采用两台分别位于1550 nm和1600 nm波段的参考激光，通过Pound–Drever–Hall锁定技术稳定至片上4米SiN螺旋参考腔。孤子微梳通过对其中一台参考激光进行单边带调制产生，并在形成孤子后利用集成于Si₃N₄微腔上的PZT执行器直接调节谐振频率。通过压电应力光学效应，微腔折射率得以快速改变，从而实现对孤子重复频率的闭环反馈控制。在该架构下，微梳的重复频率由两台参考激光频率差决定，实现从6 THz到110 GHz的频率分频，分频阶数为54，对应理论相位噪声降低约35 dB。相关研究成果以“Photonic chip-based optical frequency division with PZT-integrated soliton microcombs”为题发表于Photonics Research 2026年第2期。

实验结果表明，在110 GHz载频下，该系统在10 kHz频率偏移处实现了–114 dBc/Hz的相位噪声水平，若按10 GHz载频等效缩放，则达到–135 dBc/Hz，与此前基于泵浦激光反馈控制的OFD系统性能相当。图1(a)展示了OFD实验系统，其中两台参考激光通过Poound-Drever-Hall（PDH）锁定技术稳定至集成SiN参考腔。利用单边带抑制载波调制器（SSB-SC）对第一参考激光进行调制，产生一个快速可调的边带，用于在集成PZT的SiN微腔中产生孤子光梳。通过集成PZT执行器对微腔谐振频率进行反馈调节，从而控制孤子重复频率，实现第N阶梳齿与第二参考激光的相位锁定。随后，稳定后的孤子微梳信号经高速改进型单行载流子光电探测器（MUTC-PD）进行光电转换，输出低相位噪声毫米波信号。

图1 基于PZT执行器的光学频率分频（OFD）示意图及PZT集成微腔的性能表征结果。(a) OFD实验系统的简化示意图；(b) 典型的PZT集成SiN微梳谐振腔显微图像；(c) SiN波导与PZT执行器结构的示意性横截面图（未按比例绘制），右侧为局部放大图；(d) 微腔谐振频率随PZT偏置电压变化的调谐曲线，频率标定采用周期为100 MHz的马赫–曾德尔干涉仪（MZI）；(e) 通过测量频率响应（S21参数）对PZT执行器的调制带宽进行表征

该工作的创新在于首次在片上OFD系统中引入PZT压电调控机制，实现了对孤子重复频率的直接调节，而无需再通过调制泵浦激光来间接控制孤子状态。这种方式不仅在结构上更加简洁，而且在控制路径上更加直接，有助于提升反馈速度与系统稳定性。更为重要的是，该方法在实现系统简化的同时，并未牺牲低相位噪声性能，证明压电应力光学调控能够成为未来片上微波光子振荡器的核心调节机制。该技术在6G通信、低噪声毫米波信号源、相控阵雷达及高精度频率传递等领域具有重要应用潜力。

该论文作者表示：“PZT调控机制的引入改变了以往必须依赖泵浦激光反馈的控制方式，使孤子微梳的调节更加直接和高效。这种在微腔层面实现的主动控制方式，为进一步提升片上OFD系统的带宽和集成度提供了技术基础。”

未来，作者团队将围绕提升电子反馈环路带宽、降低参考激光噪声以及实现微梳与高速光电探测器的异质集成展开。通过进一步优化系统架构与控制策略，有望推动片上光学频率分频技术向更高集成度、更低噪声与更强稳定性方向发展。

易煦，美国弗吉尼亚大学电气与计算机工程系副教授，兼任物理系副教授（荣誉职位）。他在北京大学获得物理学学士学位，并于2017年在加州理工学院获应用物理学博士学位，2018年加入弗吉尼亚大学。研究聚焦于集成光子学中光学谐振器与光学频率梳的量子与经典应用，特别是在微腔光学、光学频率梳与微波光子学领域取得了重要成果。他的工作涵盖高Q微腔孤子频率梳的生成、微波/毫米波信号合成、以及集成光子学在量子光学、天文光谱学等多学科方向的交叉应用，他担任若干国际学术期刊编委。

刘汝萱，美国弗吉尼亚大学集成光子学与非线性光学研究员，在光学集成芯片、微腔光学与非线性光学领域有持续贡献。

撰稿 | 弗吉尼亚大学 刘汝萱

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[1].Xin Zhou, Jincheng Li, Min Wang, Yuechen Lei, Yinke Cheng, Ze Wang, Zhongshan Zhang, Zhilin Li, Hao Zhang, Zhisong Xiao, Qi-Fan Yang, Bei-Bei Li, "Universal spectral purification of ultrahigh-Q microresonators for ideal soliton microcombs," Photonics Res. 13, 3172 (2025)

[2].Alwaleed Aldhafeeri, Hsiao-Hsuan Chin, Tristan Melton, Dong IL Lee, Allen Chu, Wenting Wang, Mingbin Yu, Patrick Guo-Qiang Lo, Dim-Lee Kwong, Chee Wei Wong, "Low phase noise K-band signal generation using polarization diverse single-soliton integrated microcombs," Photonics Res. 12, 1175 (2024)