使用单个激光器在片上进行全光频分

稳定的微波源是当今电子设备中不可或缺的工具，在通信、传感和数据处理等应用中充当时间和信息载体。大多数商用芯片级微波源依赖于机械高Q振荡器，其固有频率范围为10 kHz到250 MHz之间，这对于高速通信和精密计量是不够的。但从这种低频振荡器合成更高频率（例如，通过锁相环）会因频率倍增而导致严重的噪声干扰。为了达到先进应用所需的性能水平，如计量和高速数据通信，过去研究人员开发了各种技术来产生谱纯高频微波，包括电子学、微机电和光电方法。尤其注意，高质量光振荡器可以在超过100 THz的频率情形下正常使用且通过实施合适的降频转换方案，例如光分频，可以产生具有大噪声抑制因子的微波。这项技术为光学原子钟的发明奠定基础，并产生了迄今为止最精确的微波频率。对于更小型的器件的应用需要，通常采用两点锁定方案，该方案不需要跨越八倍频程梳和原子集成。尽管如此，这样的系统仍然需要多个可快速调谐的激光源和多个光学和电子稳定平台，但这也导致台面占地面积大，因此，无法实现许多传感和通信应用所需的简洁性和鲁棒性。

值得注意的是，频率锁定过程在自然界中是常规发生的，没有复杂的控制系统。不同频率的自维持振荡可以通过弱耦合实现同步，这在机械、电气、光学、生态和生物物理系统中都有观测到。频率锁定也可以发生在依赖外部周期性驱动的振荡器上;然而，由于它们违反了自维持准则或弱合准则，通常没有作为同步过程进行研究。在这里，研究人员重点关注同步过程。当振荡器的频率是基频的谐波倍数时，同步进一步分类为谐波或次谐波同步。过去，谐波同步具有相对较低的（小于5）次谐波。这里，研究人员实现了在光学系统中可以实现大谐波因子（大于100）的同步，从而推动了同步现象在基于光频分技术的微波产生中的新应用。这种极端谐波同步能够在没有反馈控制和高速激光频率调制的情况下实现大带宽降噪。在这里，谐波同步光在同一光子芯片上产生太赫兹拍频的参量振荡器和射频重复频率的克尔孤子。与以往光频分实验不同，该装置只需要一个连续波泵浦激光器。图1a显示了芯片布局，其中顶部微谐振器作为光学参量振荡器工作且由于相位相关引起的线宽变窄，生成的信号-闲频对产生稳定的参考频率。谐波同步通过将光学参量振荡器输出光耦合到锁模孤子梳来实现，该梳将孤子重复率锁定在光学参量振荡器模式间隔的一小部分，尽管它们的时间波形不同（图1e）。用最低的交流电产生离散的窄线宽微波。频率分量为孤子重复率。实验中，研究人员实现了两种方案的同步，即8 THz光学参量振荡器与227 GHz孤子梳和7.5 THz光学参量振荡器与16 GHz孤子梳。后一种配置在氮化硅平台上实现了迄今为止最低相位噪声的微波产生。

通过全光同步将光学参量振荡器的稳定性转化为克尔梳。克尔微谐振器之间的同步是动态相似的状态，即孤子梳和非孤子梳。然而，有两个问题仍有待探讨，这对基本理解过程和光频分应用至关重要：Kerr微谐振器中的不同波形是否可以同步？同步后噪声如何变化？首先，使用模型数值研究了光学参量振荡-孤子同步过程。这两种状态通过改变两个空腔的失谐产生，正如它们在齐次Lugiato-Lefever方程的分岔图上的位置所表示。如图1b所示，两种状态位于断开的支路上，对应的时间波形，如图1e所示。在快时间帧中，未锁定孤子（图2c）相对于光学参量振荡（图2b）漂移。研究人员在50 ns时间步长处引入了7.3×10^-6/往返时间的单向功率耦合，通过交叉相位调制将孤子峰捕获到一个光学参量振荡峰。因此，孤子重复率被同步到光学参量振荡模式间隔的一小部分。为了表征同步对孤子噪声的抑制作用，研究人员对孤子腔进行了频率相关的自由光谱范围变化，并观察了同步和不同步时的重复率变化。图2d显示了有同步和没有同步的重复率波动比，在低频时遵循20 dB/10年，即使在1 MHz偏移频率下也达到20 dB。进一步提高噪声抑制带宽可以通过增大孤子腔线宽或耦合强度来实现。

实验中的光学参量振荡器噪声很大程度上受到热折射噪声不完全抑制的限制，可以通过增加空腔长度来降低噪声。研究人员进一步在两个16 GHz微谐振器上进行同步，这也导致电子可检测的微波信号。为此，使用两个几乎相同的器件（图4a）分别产生光学参量振荡器和孤子态（图4c,d）。

光学参量振荡器和孤子器件分别被泵浦170 mW和670 mW，其光谱如图4c、d所示。光耦合通过基于光纤的合成器在片外实现。由于两个独立芯片的波导厚度不同，光学参量振荡器频率与孤子线偏移1.5 GHz，在光学参量振荡器上用1.5 GHz的相位调制进行补偿。这对于近距离制造的微谐振器是不需要的。研究者们使用自外差系统表征了光学参量振荡器和泵浦的相位噪声（图1d），并通过直接光电探测和商用相位噪声表征了孤子的相位噪声分析器。如图4b所示，在20 kHz以下，光学参量振荡器和同步孤子的噪声谱形状几乎相同，垂直偏移量为54 dB，与理论分频因子相对应。这进一步证明了全光光频分的质量和不同测量技术的一致性。在10 kHz偏置频率下，可以观察到自由运行孤子和同步孤子之间的噪声差为46 dB。在20 kHz以上，电子测量的相位噪声受到光电探测器噪声的限制，这由平坦的噪声谱表示。这种本底噪声可以通过针对特定无线电频率进行优化的单载波光电二极管来改善。研究者们还观察到同步孤子状态下83 dB的泵浦噪声抑制，对应于通过光学参量振荡器产生的29 dB和通过光频分产生的54 dB。这明显大于先前在自由运行孤子中观察到的51 dB泵浦噪声抑制。通过主动可调谐的耦合结构如干涉耦合或辅助腔耦合，可以更好地匹配信号和空闲模式的光子寿命，从而进一步改善泵浦噪声抑制。

通过将载波频率缩放到10 GHz，微波相位噪声通常在10 kHz偏置频率上表征。通过全光同步，研究人员在227 GHz和16 GHz器件上分别实现了-114 dBc Hz^-1和- 128 dBc Hz^-1的缩放相位噪声。这两个结果都低于以前在SiN平台上通过自由运行孤子获得的记录。对于研究人员使用的两种器件，10 kHz边带噪声受到热折射噪声不完全抑制的限制。原则上，227 GHz孤子也可以与低自由光谱范围腔中产生的光学参量振荡器同步，以进一步降低其噪声。其他用于微波产生的芯片级设备是基于二氧化硅或氟化镁的回音壁模式谐振器。

这些器件的热折射噪声比硅低约20倍，比氟化镁低700倍，但它们的占地面积更大且需要与铸造厂不相容的制造工艺。16 GHz器件在二氧化硅谐振器中优于基于布里渊激光的方案和基于孤子的方案且与基于氟化镁的孤子处于同一水平，尽管具有更高的热折射噪声。之前，氟化镁中的图灵卷也被锁定在光频分电光梳上。

然而，基于以往的研究工作中使用了更大的光学参量振荡器间距和高带宽同步，研究者们实现了比以前的研究低10dB的相位噪声的突破。基于SiN的器件的进一步降噪可以通过非热设计来实现，其中已证明热折射率系数降低超过100，对应于TRN降低40dB。可以通过增加光学参量振荡器的功率或通过色散工程增加信号闲散分离来降低STL限制，从而增加分频因子。10GHz的微波可以达到噪音在10kHz偏置频率下，使用大件的光学设备，如单腔锁模激光器或完全稳定的梳状器，获得约为- 170 dBc Hz⁻¹的电平;最近还报道了一种商用桌面光频分设备，达到−156 dBc Hz⁻¹。研究者们提出的片上光频分方案可以实现相当的性能(小于- 165 dBc Hz - 1)， TRN降低40dB, 光学参量振荡器跨度为50THz，双点STL为0.2Hz，这些都是目前技术能力可以实现的。

基于低噪声光学参量振荡器和克尔梳的同步，可以设想一种紧凑、超低噪声、宽可调谐的高频微波振荡器。图4e显示了一个完整系统的可能设计。在顶部非热环中产生一个宽带参考光学参量振荡器，该参考光学参量振荡器与中间总线波导瞬态耦合以促进同步。利用微波V-W波段不同模距的多个微谐振器产生宽带孤子。片上加热器用于通过频率失谐来控制哪个微谐振器被激活。V到W波段的微波频率在光探测中级梳后产生。为了进一步将频率划分到微波X到K波段，可以在底层实现低自由光谱范围微谐振器，它可以具有较窄的带宽以实现更高的效率。然而，窄带宽梳导致较小的分割因子，从而限制了可实现的相位降噪。这可以通过将低自由光谱范围梳与大自由光谱范围梳同步来解决，这对应于谐波同步方案。级联允许窄带低自由光谱范围梳具有与大自由光谱范围梳相同的有效带宽，从而实现大的分割因子，从而在光频分后实现低相位噪声。X至K波段微波信号由底层梳的光探测产生。

总之，研究人员提出了一种基于低噪声光学参量振荡器和kerr孤子梳的谐波同步的超紧凑分频方案，该方案只需要一个泵浦激光器。实验表明，克尔腔中的动态不同状态可以通过物理耦合被动同步。特别注意的是，自由运行孤子和相位参考孤子之间的相位噪声降低了28 dB。通过直接光探测产生低噪声的16 GHz微波，在SiN平台上实现了创纪录的低相位噪声。此外，研究者们还证明了光学参量振荡器状态可以作为超稳定的光学参考，因为它具有三个关键特征，即强泵浦噪声抑制和强热噪声抑制。这个光频分方案允许使用单个激光器产生高性能微波，噪声性能适中，这为小尺寸超低噪声微波产生提供了一条有希望的途径。