微波信号受到量子噪声或热噪声的影响，其频率容易产生不同程度的漂移。目前，5G 通信、雷达、电子等诸多领域都在寻求能够兼具低噪声和高频率的微波信号。
为解决上述问题，美国哥伦比亚大学团队开发了一种新型光学系统，其仅通过单激光器即可产生兼具高质量和超低噪声的微波信号。
该系统的优势在于设备的小型化，其集成在 1 平方毫米（1 毫米×1 毫米），厚度为 400 微米的芯片上。并且，在 10kHz 偏移频率条件下，还创造了迄今为止集成光子学平台中低噪声微波信号的新纪录-128dBc/Hz。
该技术在自动驾驶（例如车载雷达）、无线通信和精密计量（例如原子钟）等领域，具有广泛的应用潜力。
具体来说：
在自动驾驶领域，微波信号直接影响着车载雷达的精确度。高质量的微波有助于车载雷达更精准地测量信号，以预测和判断对面物体的运动状态。
在无线通信领域，微波信号则与运载信息量息息相关。高质量的微波信号，意味着能够携带更多的频率调制信息，从而提升无线通信的效率。
在精密计量领域，这一系统可以与原子气体模块集成，产生更加便携的原子钟。
日前，相关论文以《使用单激光器进行全光分频》（All-optical frequency division on-chip using a single laser）为题发表在 Nature 上[1]。
哥伦比亚大学博士后研究员赵昀是第一作者，亚历山大·L·盖塔（Alexander L.Gaeta）教授担任通讯作者。
光学对于高频率的微波信号来说，具有显著的优势。由于光学本身频率在几百太赫兹范围内，因此基于光学产生的微波信号，从本质上是将高光学频率降到较低的微波频率。
也就是说，越高的微波频率离光学的本征频率越近。用电子的方法，微波频率的噪声会更高，而用光学方法则不受该因素的影响，因此高频率微波可以产生超低噪声。
从光学信号产生微波信号，需要让产生的微波信号与之前非常高质量的光学信号同步。
此前的做法需要测量这两个信号之间的误差，然后采用电子或机械的方法加以修正；而该课题组所提出的新方法在程序上更简单，不需要进行任何测量，即可将光学系统和微波自动锁定在一起。
据介绍，该研究的设计灵感来源于萤火虫群体的同步发光现象：它们荧光闪烁和熄灭的频率总是同步的。
赵昀解释说道：“这个同步现象的关键点在于，只要每个物理个体之间发生非常微弱的耦合，它们的频率就可以同步起来,并不需要额外的测量与修正，这样可以节省大量的空间和能耗。”
该研究相当于将非线性的参量振荡器与频率梳进行同步。从物理图景上来理解，参量振荡器可看作是一个非常小的势垒，而频率梳则可看作为一个粒子。
当粒子滚动到参量振荡器势垒的最低势能处，便不再滚动而是稳定下来。此时，其所产生的微波信号也不再改变。
此前，如果想产生稳定光学信号的做法通常是，把一束激光稳定到物理振动腔，以测量激光与震动腔之间的误差信号，再用电子和机械的方式来稳定这束激光。
而在这次新研究中，该团队采用了一种纯物理的、全新的光学信号产生方式：非线性光学中的参数振荡法。
“我们发现，参数振荡法能够非常有效地分别隔绝量子噪声和热噪声，不仅可以获得比光学腔本身更稳定的信号，同时，它的量子真空极限比大多数的激光器低得多。”赵昀说。
与其他同步研究不同的是，以往研究中一般为相同频率振子之间的同步，而在该研究中，基于谐波系统同步，两个振子之间的频率差异为 468 倍。
“这在之前的光学系统和其他的物理生物系统中都是很少能观测到的，该研究扩展了同步研究系统的范围。”赵昀表示。
这次研究为领域带来了新的方案，但也有一些器件探索的空间，例如，微波信号噪声并没有完全隔离系统的热噪声。
因此，在下一阶段的研究探索中，研究人员计划继续改进参量振荡器的性能，通过调整参量振荡器不同频率的 Q 值等方式，更好地隔绝热噪声。另一方面，目前该课题组在高偏移频率下，受到量子噪声的限制。
赵昀表示：“我们发现，有可能通过量子态相关操作，让参量震荡器的性能超越真空噪声极限，从而进一步降低它产生的微波噪声。目前，我们已经取得了一些初步进展。”
参考资料：
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
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