把“超稳光学参考”放进掌心：可部署低相噪光子-微波源 | NSR

如果把微波本振比作雷达与通信系统的“心跳”，那相位噪声就是心跳里的杂音：杂音越小，雷达看得越远、通信跑得越快、测量也越准。然而，过去要获得这种“干净心跳”，往往得依赖体积庞大、精密复杂的稳频装置。

高性能微波信号是现代信息系统的“频率底座”，随着更高频段雷达、卫星链路以及下一代无线通信的发展，系统对高频率与低相噪的信号需求被同时推到极限：一方面，更高载频意味着更细的距离分辨率、更大的可用带宽以及更高阶调制的潜力；另一方面，相位噪声一旦升高，就会在雷达中表现为杂波底抬升与弱目标被淹没，在通信中体现为星座图发散和可达速率下降等问题。由于器件热噪声、放大链路的相位扰动、倍频带来的噪声放大，纯电子振荡器常陷入“频率上去、噪声也上去”的问题，如何同时实现高频且低相噪的微波信号成为难以回避的物理与工程瓶颈。

正因如此，研究者开始寻求以微波光子技术方法来提升信号的最终质量：借助本征频率更高、相位更“干净”的光学振荡，通过频率分频将其稳定性高保真转移到微波域，实现低相噪微波信号的产生。然而，现实阻碍也同样明确，传统超稳光学参考往往依赖体积较大的超稳腔体及其真空封装和热隔离系统，导致体积、功耗与系统复杂度快速上升，成为光子微波走向小型化部署的关键瓶颈。

近年来出现的超高Q微型Fabry–Pérot（μFP）参考腔为突破提供了新支点：相较传统介质谐振器，这类微型FP参考腔可提供更低的热折射噪声（TRN）与更长的光子寿命，从“噪声地基”层面提升光学基准的极限性能。但要把它真正用进可部署系统，还必须跨过两道门槛：一是传统主动锁定往往需要实时电反馈，系统容易变得繁琐且耗电；二是光学参考腔本身的工程封装与系统集成难度高。

在多数高性能光学参考系统中，PDH（Pound-Drever-Hall）等电反馈锁定几乎是默认选项，这可以使得光信号有效的锁定在光学参考腔上。但由PDH锁定引入额外的调制、探测、伺服等电子链路，使系统复杂度和体积一直难以下降。针对这一问题，该研究采用 “全光学锁定”的思路将光源稳定到微型的光学参考腔上，实现了以往需要通过复杂电学锁定才能产生的低相噪光学参考，从系统工程角度为小型化、封装化创造了条件。进一步，该研究借助芯片级薄膜铌酸锂（TFLN）电光频率梳与电-光分频链路，将光学稳定性相干转移到微波域，最终在紧凑系统中实现了低噪声光子-微波振荡器。

图1 基于高Q 的μFP光学参考腔的紧凑型低噪声光子微波振荡器概念图

首先，研究人员基于微光学系统将两个‌分布式反馈（DFB）激光器通过自注入锁定的方式，耦合到体积仅约1 mL、Q因子超过10⁸的空气间隙微型法布里-珀罗（μFP）光学参考腔之中，并实现全电驱动的一体化封装，体积约为60 mL。由于多路光学链路共同参考同一腔体，腔体振动与热扰动带来的共模波动可被天然抑制，实现大于20 dB的共模噪声抑制。此外，研究人员采用TFLN级联调制器生成的双电光频梳作为分频器件，将稳定的光学参考相干分频、并最终锁定到目标微波载频，实现光学稳定性向X波段微波的转移。

图2 微型光子器件平台

研究人员对封装的微型光学参考源的性能开展了详细表征。该微型光学参考源支持启钥式同时锁定的可靠启动，两路超窄线宽激光分别位于1548.3 nm与1553.3 nm附近，形成约625 GHz的光学参考，输出光谱边模抑制比>50 dB。通过测试得到两路锁定带宽分别约 1.77 GHz 与 0.82 GHz，由测量的频率噪声推得的两路激光本征线宽分别达到 9 mHz 与 55 mHz，在自由运转的情况下，测得 8 小时内中心频率漂移仅为数 MHz；功率稳定性方面，两路参考激光相对强度噪声（RIN）在 10 kHz 以上偏移频率均低于 −135 dB/Hz。

图3 低噪声微光学参考性能表征

最后，基于高性能的低噪声微光学参考源，研究人员采用电–光分频（e-OFD）架构，耦合进入封装的高性能薄膜铌酸锂级联电光调制器，并由外部介质谐振振荡器（DRO）提供 10.4 GHz 微波驱动（约 35 dBm）产生双色电光频梳。随后通过光学滤波选取相邻梳齿拍频，在光电探测后得到约100 MHz的中频信号，其与100 MHz本振混频产生的误差信号经伺服控制器反馈到DRO，实现闭环锁定；一旦中频锁定，微波相位噪声在伺服带宽内按分频因子平方被抑制，理论分频降噪约35.5 dB。实验相位噪声测试表明，锁定后 10.4 GHz 输出相位噪声显著优于自由运转，测得结果与“拍频噪声按分频因子折算”的预期高度一致其中：−54 dBc/Hz @ 10 Hz 频偏, −77 dBc/Hz @ 100 Hz, −108 dBc/Hz @1 kHz, −141 dBc/Hz @ 10 kHz。进一步地，研究团队通过结合电–光分频过程中本振参考频率的参数控制，实现带宽达350 kHz的输出频率连续调谐，突破了传统固定频点低噪声微波源的变频局限性。

图4 低相噪微波产生与性能表征

综上所述，该研究提出并实现了一种可部署的光子-微波振荡器，以微型高Q光学参考腔作为频率基准，基于全光学锁定获得低相噪稳频光学参考，并将其完全封装在可全电驱动的集成模块之中。通过结合集成薄膜铌酸锂级联电光调制器产生双色电光频率梳，通过构建电–光分频闭环，将光学稳定性相干转移到X波段的微波输出，并验证了该架构下的变频能力。光学分频系统在紧凑封装形态下实现了显著的相位噪声抑制与良好长期稳定性，验证了光生低相噪微波的工程化路径，为雷达、通信与精密测量等应用提供了更接近实际部署的低噪声光生微波源新路线。

南京大学物理学院赵泽兴生博士为论文第一作者。南京大学谢臻达教授和贾琨鹏副教授、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所梁伟研究员为论文共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重大项目、江苏省自然科学基金等项目和张江实验室的支持。

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Optically locked low-noise photonic microwave oscillator

National Science Review, nwag135, https://doi.org/10.1093/nsr/nwag135