微波信號受到量子噪聲或熱噪聲的影響，其頻率容易產(chan) 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(wei) 解決(jue) 上述問題，美國哥倫(lun) 比亞(ya) 大學團隊開發了一種新型光學係統，其僅(jin) 通過單激光器即可產(chan) 生兼具高質量和超低噪聲的微波信號。

該係統的優(you) 勢在於(yu) 設備的小型化，其集成在 1 平方毫米（1 毫米×1 毫米），厚度為(wei) 400 微米的芯片上。並且，在 10kHz 偏移頻率條件下，還創造了迄今為(wei) 止集成光子學平台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（例如原子鍾）等領域，具有廣泛的應用潛力。

具體(ti) 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。高質量的微波有助於(yu) 車載雷達更精準地測量信號，以預測和判斷對麵物體(ti) 的運動狀態。

在無線通信領域，微波信號則與(yu) 運載信息量息息相關(guan) 。高質量的微波信號，意味著能夠攜帶更多的頻率調製信息，從(cong) 而提升無線通信的效率。

在精密計量領域，這一係統可以與(yu) 原子氣體(ti) 模塊集成，產(chan) 生更加便攜的原子鍾。

圖丨通過分頻產(chan) 生片上低噪聲微波（來源：趙昀）

日前，相關(guan) 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(wei) 題發表在 Nature 上[1]。

哥倫(lun) 比亞(ya) 大學博士後研究員趙昀是第一作者，亞(ya) 曆山大·L·蓋塔（Alexander L.Gaeta）教授擔任通訊作者。

圖丨相關(guan) 論文（來源：Nature）

光學對於(yu) 高頻率的微波信號來說，具有顯著的優(you) 勢。由於(yu) 光學本身頻率在幾百太赫茲(zi) 範圍內(nei) ，因此基於(yu) 光學產(chan) 生的微波信號，從(cong) 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(hui) 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(chan) 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(cong) 光學信號產(chan) 生微波信號，需要讓產(chan) 生的微波信號與(yu) 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(liang) 個(ge) 信號之間的誤差，然後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，即可將光學係統和微波自動鎖定在一起。

據介紹，該研究的設計靈感來源於(yu) 螢火蟲群體(ti) 的同步發光現象：它們(men) 熒光閃爍和熄滅的頻率總是同步的。

趙昀解釋說道：“這個(ge) 同步現象的關(guan) 鍵點在於(yu) ，隻要每個(ge) 物理個(ge) 體(ti) 之間發生非常微弱的耦合，它們(men) 的頻率就可以同步起來,並不需要額外的測量與(yu) 修正，這樣可以節省大量的空間和能耗。”

圖丨趙昀（來源：趙昀）

該研究相當於(yu) 將非線性的參量振蕩器與(yu) 頻率梳進行同步。從(cong) 物理圖景上來理解，參量振蕩器可看作是一個(ge) 非常小的勢壘，而頻率梳則可看作為(wei) 一個(ge) 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(chan) 生的微波信號也不再改變。

此前，如果想產(chan) 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(yu) 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(chan) 生方式：非線性光學中的參數振蕩法。

“我們(men) 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(jin) 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(yu) 其他同步研究不同的是，以往研究中一般為(wei) 相同頻率振子之間的同步，而在該研究中，基於(yu) 諧波係統同步，兩(liang) 個(ge) 振子之間的頻率差異為(wei) 468 倍。

“這在之前的光學係統和其他的物理生物係統中都是很少能觀測到的，該研究擴展了同步研究係統的範圍。”趙昀表示。

圖丨可電子檢測的微波產(chan) 生（來源：Nature）

這次研究為(wei) 領域帶來了新的方案，但也有一些器件探索的空間，例如，微波信號噪聲並沒有完全隔離係統的熱噪聲。

圖丨亞(ya) 曆山大·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。另一方麵，目前該課題組在高偏移頻率下，受到量子噪聲的限製。

趙昀表示：“我們(men) 發現，有可能通過量子態相關(guan) 操作，讓參量震蕩器的性能超越真空噪聲極限，從(cong) 而進一步降低它產(chan) 生的微波噪聲。目前，我們(men) 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

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