微波信號(hào)受到量子噪聲或熱噪聲的影響，其頻率容易產(chǎn)生不同程度的漂移。目前，5G 通信、雷達(dá)、電子等諸多領(lǐng)域都在尋求能夠兼具低噪聲和高頻率的微波信號(hào)。

為解決上述問題，美國哥倫比亞大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型光學(xué)系統(tǒng)，其僅通過單激光器即可產(chǎn)生兼具高質(zhì)量和超低噪聲的微波信號(hào)。

該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于設(shè)備的小型化，其集成在 1 平方毫米（1 毫米×1 毫米），厚度為 400 微米的芯片上。并且，在 10kHz 偏移頻率條件下，還創(chuàng)造了迄今為止集成光子學(xué)平臺(tái)中低噪聲微波信號(hào)的新紀(jì)錄-128dBc/Hz。

該技術(shù)在自動(dòng)駕駛（例如車載雷達(dá)）、無線通信和精密計(jì)量（例如原子鐘）等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用潛力。

具體來說：

在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，微波信號(hào)直接影響著車載雷達(dá)的精確度。高質(zhì)量的微波有助于車載雷達(dá)更精準(zhǔn)地測(cè)量信號(hào)，以預(yù)測(cè)和判斷對(duì)面物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

在無線通信領(lǐng)域，微波信號(hào)則與運(yùn)載信息量息息相關(guān)。高質(zhì)量的微波信號(hào)，意味著能夠攜帶更多的頻率調(diào)制信息，從而提升無線通信的效率。

在精密計(jì)量領(lǐng)域，這一系統(tǒng)可以與原子氣體模塊集成，產(chǎn)生更加便攜的原子鐘。

圖丨通過分頻產(chǎn)生片上低噪聲微波（來源：趙昀）

日前，相關(guān)論文以《使用單激光器進(jìn)行全光分頻》（All-optical frequency division on-chip using a single laser）為題發(fā)表在 Nature 上[1]。

哥倫比亞大學(xué)博士后研究員趙昀是第一作者，亞歷山大·L·蓋塔（Alexander L.Gaeta）教授擔(dān)任通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來源：Nature）

光學(xué)對(duì)于高頻率的微波信號(hào)來說，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。由于光學(xué)本身頻率在幾百太赫茲范圍內(nèi)，因此基于光學(xué)產(chǎn)生的微波信號(hào)，從本質(zhì)上是將高光學(xué)頻率降到較低的微波頻率。

也就是說，越高的微波頻率離光學(xué)的本征頻率越近。用電子的方法，微波頻率的噪聲會(huì)更高，而用光學(xué)方法則不受該因素的影響，因此高頻率微波可以產(chǎn)生超低噪聲。

圖丨光參量振蕩器噪聲和光參量振蕩-孤子同步的數(shù)值模擬（來源：Nature）

從光學(xué)信號(hào)產(chǎn)生微波信號(hào)，需要讓產(chǎn)生的微波信號(hào)與之前非常高質(zhì)量的光學(xué)信號(hào)同步。

此前的做法需要測(cè)量這兩個(gè)信號(hào)之間的誤差，然后采用電子或機(jī)械的方法加以修正；而該課題組所提出的新方法在程序上更簡單，不需要進(jìn)行任何測(cè)量，即可將光學(xué)系統(tǒng)和微波自動(dòng)鎖定在一起。

據(jù)介紹，該研究的設(shè)計(jì)靈感來源于螢火蟲群體的同步發(fā)光現(xiàn)象：它們熒光閃爍和熄滅的頻率總是同步的。

趙昀解釋說道：“這個(gè)同步現(xiàn)象的關(guān)鍵點(diǎn)在于，只要每個(gè)物理個(gè)體之間發(fā)生非常微弱的耦合，它們的頻率就可以同步起來,并不需要額外的測(cè)量與修正，這樣可以節(jié)省大量的空間和能耗?！?/p>

圖丨趙昀（來源：趙昀）

該研究相當(dāng)于將非線性的參量振蕩器與頻率梳進(jìn)行同步。從物理圖景上來理解，參量振蕩器可看作是一個(gè)非常小的勢(shì)壘，而頻率梳則可看作為一個(gè)粒子。

當(dāng)粒子滾動(dòng)到參量振蕩器勢(shì)壘的最低勢(shì)能處，便不再滾動(dòng)而是穩(wěn)定下來。此時(shí)，其所產(chǎn)生的微波信號(hào)也不再改變。

此前，如果想產(chǎn)生穩(wěn)定光學(xué)信號(hào)的做法通常是，把一束激光穩(wěn)定到物理振動(dòng)腔，以測(cè)量激光與震動(dòng)腔之間的誤差信號(hào)，再用電子和機(jī)械的方式來穩(wěn)定這束激光。

而在這次新研究中，該團(tuán)隊(duì)采用了一種純物理的、全新的光學(xué)信號(hào)產(chǎn)生方式：非線性光學(xué)中的參數(shù)振蕩法。

“我們發(fā)現(xiàn)，參數(shù)振蕩法能夠非常有效地分別隔絕量子噪聲和熱噪聲，不僅可以獲得比光學(xué)腔本身更穩(wěn)定的信號(hào)，同時(shí)，它的量子真空極限比大多數(shù)的激光器低得多?！壁w昀說。

與其他同步研究不同的是，以往研究中一般為相同頻率振子之間的同步，而在該研究中，基于諧波系統(tǒng)同步，兩個(gè)振子之間的頻率差異為 468 倍。

“這在之前的光學(xué)系統(tǒng)和其他的物理生物系統(tǒng)中都是很少能觀測(cè)到的，該研究擴(kuò)展了同步研究系統(tǒng)的范圍?！壁w昀表示。

圖丨可電子檢測(cè)的微波產(chǎn)生（來源：Nature）

這次研究為領(lǐng)域帶來了新的方案，但也有一些器件探索的空間，例如，微波信號(hào)噪聲并沒有完全隔離系統(tǒng)的熱噪聲。

圖丨亞歷山大·L·蓋塔（Alexander L.Gaeta）教授課題組（來源：趙昀）

因此，在下一階段的研究探索中，研究人員計(jì)劃繼續(xù)改進(jìn)參量振蕩器的性能，通過調(diào)整參量振蕩器不同頻率的 Q 值等方式，更好地隔絕熱噪聲。另一方面，目前該課題組在高偏移頻率下，受到量子噪聲的限制。

趙昀表示：“我們發(fā)現(xiàn)，有可能通過量子態(tài)相關(guān)操作，讓參量震蕩器的性能超越真空噪聲極限，從而進(jìn)一步降低它產(chǎn)生的微波噪聲。目前，我們已經(jīng)取得了一些初步進(jìn)展?！?/p>

參考資料：

1.Zhao, Y., Jang, J.K., Beals, G.J. et al. All-optical frequency division on-chip using a single laser. Nature 627, 546–552 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07136-2

運(yùn)營/排版：何晨龍