中国青年学者一作，最新Nature，创纪录低相噪！

在此， 哥伦比亚大学 Alexander L. Gaeta教授 课题组 展示了一种全光学、锁模、克尔梳分频方法，该方法仅使用单个连续波激光器即可提供极其通用、准确、稳定目具有超低相噪微波信号源。 该课题组在光子芯片上演示了全光 OFD，方法是在单个连续波激光器的泵浦下同步两种不同动态状态的克尔微谐振器。光参量振荡器信号场和惰极场之间太赫兹拍频的固有稳定性被转移到了克尔孤子梳的微波频率上，并通过耦合波导实现了同步，而无需电子锁定 。227 千兆赫和 16 千兆赫孤子梳的 OFD 因子分别达到 N = 34 和 468。特别是，OFD 使 16 GHz Soliton 梳的相位噪声降低了 46 dB，从而实现了集成光子平台中观测到的 创纪录的低相位噪声 。此工作代表了一种简单、有效的 OFD 方法，为芯片级设备提供了一条途径，使其能够产生与计量实验室产生的最纯净音调相媲美的微波频率。相关成果以“All-optical frequency division on-chip using a single laser”为题发表在 《Nature》 上，第一作者为天津大学校友  Yun Zhao 。

在这项工作中，作者重点研究同步过程。作者对同一光子芯片上产生的、节拍频率为太赫兹的光参量振荡器（OPO）和重复率为射频的克尔孤子进行了谐波同步。 与以往的 OFD 实验不同，该设备只需要一个连续波（CW）泵浦激光器 。图 1a 显示了芯片布局，其中顶部的微谐振器作为 OPO 运行，由于相位相关引起的线宽收窄，生成的信号惰轮对产生了稳定的频率参考。谐波同步是通过将 OPO 输出与锁模孤子梳光学耦合来实现的，尽管两者的时间波形不同，但却能将孤子重复率锁定在 OPO 模式间距的一小部分（图 1e）。生成的离散窄线宽微波音调的最低交流频率分量就是孤子重复率。在作者的实验中，作者采用两种方案实现同步，一种是 8 太赫兹 OPO 与 227 千兆赫孤子梳，另一种是 7.5 太赫兹 OPO 与 16 千兆赫孤子梳。 后一种配置在氮化硅（SiN）平台上实现了迄今为止相位噪声最低的微波产生 。

图 1：通过分频产生片上低噪声微波的原理图

OPO的相位噪声

相位噪声是微波源的一个重要性能指标；它与源频率偏离标称载波频率的时间相关。克尔梳是锁模的，可直接用于产生微波，但由于红谐泵浦和色散位移和拉曼非线性的普遍存在，它们很容易受到环境噪声的影响。相比之下， OPO 和图灵辊具有更高的稳定性 。图 2a 所示的随机模拟说明了其关键特性。输入模型的技术噪声包括热折射噪声（TRN），它是根据作者的 SiN 器件的实验特性和泵激光噪声建模的。图 2a 显示了信号和惰极模式之间相位差的单边带相位噪声功率谱密度，它决定了 OFD 的残差噪声。OPO 的第一个主要特点是泵噪声与差分相位噪声解耦，这一点从 22 kHz 处噪声边带的消失可以明显看出。第二个主要特点是，OPO 元件的噪声低于微谐振器的 TRN，这与腔体内产生的激光不同。

图 2：OPO 噪声和 OPO-孤子同步的数值模拟

OPO 和孤子梳的同步

作者通过全光同步将 OPO 的稳定性转化为克尔梳。如图 1b 所示，这两个状态位于断开的分支上，相应的时间波形如图 1e 所示。解锁孤子（图 2c）在快速时间帧中相对于 OPO（图 2b）漂移。在 50 ns 时间步长处，作者在数值上引入了每往返时间 7.3 × 10 ^-6  的单向功率耦合，通过跨相调制将孤子峰捕获到其中一个 OPO 峰上。因此，孤子重复率与 OPO 模式间距的一部分同步。为了描述同步对孤子噪声的抑制，作者对孤子腔实施了频率相关的 FSR 变化，并观察了同步和不同步时的重复率变化。图 2d 显示了同步和不同步时的重复率波动比，在低频时该比值为 20 dB/十年，甚至在 1 MHz 偏移频率时也达到了 20 dB。通过增加孤子-空腔线宽或耦合强度，可以进一步提高噪声抑制带宽。

作者使用波长为 1557 nm 的单个 CW 源来泵送 OPO 和孤子-谐振腔。两个微谐振器的 FSR 相同，均为 227 GHz，用于产生 OPO 和孤子的泵浦功率分别为 24 mW 和 370 mW。如光学光谱（图 3c、d）所示，作者产生了光谱间隔为 7.7 THz 的 OPO 和梳状间隔为 227 THz 的孤子。为了便于同步，作者监测了 OPO 和 1588.8 nm 的螺线管之间的节拍音。这种节拍音可以通过改变施加到孤子上的加热器功率来调整（图 3a），加热器功率对温度变化非常敏感。节拍音的存在表明 OPO 和孤子是独立运行的，这与加热器功率小于 28.3 mW 或大于 28.6 mW 以及节拍音频率大于 11 MHz 相对应。在接近这两个阈值加热器功率时，节拍音在直流和 11 MHz 之间快速抖动，表明孤子被 OPO 捕获，然后在短时间内逃逸。在 28.4 mW 至 28.5 mW 加热器功率范围内，节拍音消失，表明同步稳定。根据加热器值，作者推断捕获范围约为 11 MHz（图 3b），这取决于注入孤子腔的 OPO 功率。

图3：OPO-孤子同步的实验演示

16 GHz 微波的产生

在实验中，OPO 噪声在很大程度上受限于 TRN 的不完全抑制，这可以通过增加空腔长度来降低。作者进一步在两个 16-GHz-FSR 微谐振器上进行同步，这也会产生电子可探测的微波信号。为此，作者使用两个近乎相同的器件（图 4a）分别产生 OPO 和孤子态（图 4c,d）。作者利用自外差系统对 OPO 和泵浦的相位噪声进行了表征（图 1d），并通过直接光电探测和商用相位噪声分析仪对孤子的相位噪声进行了表征。如图 4b 所示，OPO 和同步孤子的噪声频谱在 20 kHz 以下具有几乎相同的形状，垂直偏移为 54 dB，与理论分频因子相对应。这进一步证明了全光 OFD 的质量和不同测量技术的一致性。在 10 kHz 的偏移频率下，作者观察到自由运行和同步孤子之间存在 46 dB 的噪声差异。超过 20 kHz 时，电子测量的相位噪声受限于光电探测器的噪声，这表现为噪声频谱趋平。针对特定无线电频率进行优化的单路载波光电二极管可以改善这一噪声底。

图 4：可电子检测的微波产生

小结

总之，作者展示了一种基于低噪声 OPO 和 Kerr-soliton 梳的极谐波同步的超紧凑型分频方案，它只需要一个泵浦激光器。作者的演示表明，克尔腔中的动态不同状态可以通过物理耦合实现被动同步。特别是，在自由运行的孤子和相位参照的孤子之间，相位噪声降低了 28 dB。通过直接光电探测产生的 16 GHz 低噪声微波，在氮化硅平台上实现了创纪录的低相位噪声。此外，作者还证明了 OPO 状态可以作为超稳定光学基准，这得益于三个关键特性，即低 STL、强泵噪声抑制和强热噪声抑制。作者的 OFD 方案允许使用具有适度噪声性能的单激光器进行高性能微波生成，这为实现小尺寸超低噪声微波生成提供了一条前景广阔的途径。