微波信號受到量子噪聲或熱噪聲的影響，其頻率容易產生不同程度的漂移。目前，5G 通信、雷達、電子等諸多領域都在尋求能夠兼具低噪聲和高頻率的微波信號。
為解決上述問題，美國哥倫比亞大學團隊開發了一種新型光學系統，其僅通過單激光器即可產生兼具高質量和超低噪聲的微波信號。
該系統的優勢在于設備的小型化，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，還創造了迄今為止集成光子學平臺中低噪聲微波信號的新紀錄-128dBc/Hz。
該技術在自動駕駛（例如車載雷達）、無線通信和精密計量（例如原子鐘）等領域，具有廣泛的應用潛力。
具體來說：
在自動駕駛領域，微波信號直接影響著車載雷達的精確度。高質量的微波有助于車載雷達更精準地測量信號，以預測和判斷對面物體的運動狀態。
在無線通信領域，微波信號則與運載信息量息息相關。高質量的微波信號，意味著能夠攜帶更多的頻率調制信息，從而提升無線通信的效率。
在精密計量領域，這一系統可以與原子氣體模塊集成，產生更加便攜的原子鐘。
圖丨通過分頻產生片上低噪聲微波（來源：趙昀）
日前，相關論文以《使用單激光器進行全光分頻》（All-optical frequency division on-chip using a single laser）為題發表在 Nature 上[1]。
哥倫比亞大學博士后研究員趙昀是第一作者，亞歷山大·L·蓋塔（Alexander L.Gaeta）教授擔任通訊作者。
圖丨相關論文（來源：Nature）
光學對于高頻率的微波信號來說，具有顯著的優勢。由于光學本身頻率在幾百太赫茲范圍內，因此基于光學產生的微波信號，從本質上是將高光學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的本征頻率越近。用電子的方法，微波頻率的噪聲會更高，而用光學方法則不受該因素的影響，因此高頻率微波可以產生超低噪聲。
圖丨光參量振蕩器噪聲和光參量振蕩-孤子同步的數值模擬（來源：Nature）
從光學信號產生微波信號，需要讓產生的微波信號與之前非常高質量的光學信號同步。
此前的做法需要測量這兩個信號之間的誤差，然后采用電子或機械的方法加以修正；而該課題組所提出的新方法在程序上更簡單，不需要進行任何測量，即可將光學系統和微波自動鎖定在一起。
據介紹，該研究的設計靈感來源于螢火蟲群體的同步發光現象：它們熒光閃爍和熄滅的頻率總是同步的。
趙昀解釋說道：“這個同步現象的關鍵點在于，只要每個物理個體之間發生非常微弱的耦合，它們的頻率就可以同步起來,并不需要額外的測量與修正，這樣可以節省大量的空間和能耗。”
圖丨趙昀（來源：趙昀）
該研究相當于將非線性的參量振蕩器與頻率梳進行同步。從物理圖景上來理解，參量振蕩器可看作是一個非常小的勢壘，而頻率梳則可看作為一個粒子。
當粒子滾動到參量振蕩器勢壘的最低勢能處，便不再滾動而是穩定下來。此時，其所產生的微波信號也不再改變。
此前，如果想產生穩定光學信號的做法通常是，把一束激光穩定到物理振動腔，以測量激光與震動腔之間的誤差信號，再用電子和機械的方式來穩定這束激光。
而在這次新研究中，該團隊采用了一種純物理的、全新的光學信號產生方式：非線性光學中的參數振蕩法。
“我們發現，參數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腔本身更穩定的信號，同時，它的量子真空極限比大多數的激光器低得多。”趙昀說。
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，基于諧波系統同步，兩個振子之間的頻率差異為 468 倍。
“這在之前的光學系統和其他的物理生物系統中都是很少能觀測到的，該研究擴展了同步研究系統的范圍。”趙昀表示。
圖丨可電子檢測的微波產生（來源：Nature）
這次研究為領域帶來了新的方案，但也有一些器件探索的空間，例如，微波信號噪聲并沒有完全隔離系統的熱噪聲。
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，研究人員計劃繼續改進參量振蕩器的性能，通過調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：“我們發現，有可能通過量子態相關操作，讓參量震蕩器的性能超越真空噪聲極限，從而進一步降低它產生的微波噪聲。目前，我們已經取得了一些初步進展。”
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
運營/排版：何晨龍
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