具有频率可调性和低相位噪声的光电微波合成器
光电微波合成器——频率可调性与低相位噪声的结合
学术背景
在现代通信、导航和雷达系统中，频率可调且低噪声的微波源是至关重要的。传统的电子微波合成器虽然能够提供频率可调性，但其相位噪声较高，限制了其在精密应用中的使用。相比之下，基于光子学的微波合成器利用高光谱纯度激光和光学频率梳，能够生成极低相位噪声的微波信号。然而，光子学方法通常缺乏频率可调性，并且系统体积大、功耗高，限制了其广泛应用。
为了解决这些问题，本文提出了一种混合光电方法，结合了简化的光学频率分割（Optical Frequency Division, OFD）和直接数字合成（Direct Digital Synthesis, DDS）技术，生成了在整个X波段（8-12 GHz）内可调的低相位噪声微波信号。该研究不仅解决了传统光子学方法在频率可调性上的不足，还通过简化系统设计，使其能够与集成光子学实现兼容，从而有望在芯片级封装中应用。
论文来源
本文由Igor Kudelin、Pedram Shirmohammadi、William Groman等来自University of Colorado Boulder、University of Virginia以及National Institute of Standards and Technology的研究团队共同完成。论文于2024年12月11日在线发表在《Nature Electronics》期刊上，DOI为10.1038/s41928-024-01294-x。
研究流程与实验设计
1. 光电微波合成器的设计
研究团队设计了一种混合光电微波合成器，结合了光学频率分割和直接数字合成技术。该合成器的核心是一个低噪声的光学振荡器，生成10 GHz的微波信号。通过两点的光学频率分割（2p-OFD）技术，研究团队实现了10 GHz信号的极低相位噪声（-156 dBc/Hz @ 10 kHz偏移）和频率不稳定性（1×10^-13 @ 0.1秒）。
2. 光学频率分割的实现
为了实现低噪声的微波生成，研究团队首先通过将两个连续波（CW）激光器的频率锁定在一个高Q值的Fabry-Pérot（FP）腔体上，从而减小激光器的线宽。FP腔体在低噪声微波生成中起到了关键作用，提供了微波信号的相位和频率参考。研究团队使用了一个6.3毫米长的FP腔体，其自由光谱范围为23.6 GHz，Q值约为50亿。
3. 直接数字合成的引入
为了扩展频率可调性，研究团队将生成的10 GHz低噪声微波信号作为直接数字合成器（DDS）的参考时钟。DDS的输出与原始10 GHz信号混合，生成了在8-12 GHz范围内可调的低噪声微波信号。DDS的调谐分辨率达到了微赫兹级别，并且调谐速度达到了纳秒级。
4. 实验结果
研究团队通过实验验证了该合成器的性能。在10 GHz载波频率下，相位噪声达到了-156 dBc/Hz @ 10 kHz偏移。当频率在10 GHz附近调谐±500 MHz、±1 GHz和±2 GHz时，相位噪声分别为-150 dBc/Hz、-146 dBc/Hz和-140 dBc/Hz @ 10 kHz偏移。此外，DDS的引入使得合成器能够在整个X波段内实现微赫兹级别的频率调谐，并且调谐速度达到了纳秒级。
主要结果与结论
1. 低噪声微波生成
通过2p-OFD技术，研究团队成功生成了10 GHz的低噪声微波信号，其相位噪声为-156 dBc/Hz @ 10 kHz偏移，频率不稳定性为1×10^-13 @ 0.1秒。这一结果优于传统的电子微波合成器，并且与现有的光子学方法相比，具有更高的频率可调性。
2. 频率可调性
通过引入DDS，研究团队实现了在整个X波段（8-12 GHz）内的频率可调性。DDS的输出与原始10 GHz信号混合，生成了低噪声的微波信号。实验结果表明，在9.5-10.5 GHz范围内，相位噪声低于-150 dBc/Hz @ 10 kHz偏移，而在8 GHz和12 GHz时，相位噪声分别为-140 dBc/Hz @ 10 kHz偏移。
3. 系统集成性
该合成器的设计兼容于集成光子学实现，未来有望在芯片级封装中应用。通过使用双极互补金属氧化物半导体（Bi-CMOS）工艺，研究团队认为可以实现全芯片集成的光电微波合成器，从而进一步减小系统体积和功耗。
研究亮点
- 低相位噪声与频率可调性的结合：本文提出的光电微波合成器成功结合了低相位噪声和宽频率可调性，解决了传统光子学方法在频率调谐上的不足。
- 系统简化与集成性：通过简化光学频率分割技术，研究团队大幅减小了系统的体积和功耗，使其能够与集成光子学兼容，未来有望在芯片级封装中应用。
- 高性能微波生成：实验结果表明，该合成器在10 GHz载波频率下的相位噪声达到了-156 dBc/Hz @ 10 kHz偏移，频率不稳定性为1×10^-13 @ 0.1秒，性能优于现有的电子和光子学微波合成器。
研究的意义与价值
该研究为低噪声、频率可调的微波生成提供了一种新的解决方案，具有广泛的应用前景。在通信、导航、雷达和微波光谱学等领域，低相位噪声和频率可调性是关键需求。本文提出的光电微波合成器不仅能够满足这些需求，还通过系统简化使其具备了集成化的潜力，未来有望在实验室以外的实际应用中得到广泛应用。
此外，该研究还为未来的光子学集成技术提供了新的思路，展示了如何通过简化光学系统设计来实现高性能的微波生成。这一成果将推动光子学技术在微波生成领域的进一步发展，并为未来的通信和导航系统提供更可靠的微波源。
其他有价值的信息
研究团队还提供了详细的实验数据和系统设计图，所有数据均可通过Figshare平台获取（DOI: 10.6084/m9.figshare.27000427.v1）。这些数据为其他研究人员提供了宝贵的参考，有助于进一步验证和改进该合成器的性能。
通过本文的研究，光电微波合成器在低噪声和频率可调性方面取得了重要突破，为未来的通信和导航系统提供了新的技术路径。该研究的成功不仅展示了光子学技术在微波生成中的潜力，还为未来的集成化应用奠定了基础。