具有高光谱纯度的微波和毫米波（mmWave）信号对各种应用都很重要，包括计量、导航、光谱和高速无线通信。光学分频（OFD）是生成此类信号的最有前途的技术之一，利用光频率基准和光频率梳将光信号优越的分数频率稳定性转移到微波和毫米波领域。在传统的 OFD 系统中，使用的是块状或基于光纤的光学组件，限制了其小型化和大批量制造的潜力。然而，光电芯片技术的最新进展为芯片级 OFD 实现开启道路，制作紧凑型、低成本、高性能微波和毫米波源。文章将简析Nature三月的最新文章”Integrated optical frequency division for microwave and mmWave generation”，探讨集成 OFD 的概念，以及利用与互补金属氧化物半导体 (CMOS) 兼容的氮化硅 (SiN) 集成光电子技术实现 OFD，讨论其中涉及的关键组件，包括光学参考腔、孤子微梳和高速光电二极管，以及用于相位噪声表征和功率测量的技术 [1] 。集成 OFD 系统的相位稳定性主要来自光学参考腔，腔体提供高度稳定的光学频率，是 OFD 过程的基础。如图 1 所示，基于 SiN 平面波导的线圈腔就是集成光学参考腔的一个例子。图 1：作为光学基准的 SiN 4 米长线圈波导腔、用于产生孤子微梳的带波导耦合环形微谐振器的 SiN 芯片和用于产生毫米波的倒装芯片键合电荷补偿改进型单路载波光电二极管（CC-MUTC PD）的照片。
这种线圈腔的特点是将 4 米长的 SiN 波导盘绕在紧凑的基底上。在波长为 1550 nm 时，其内在品质因数达到 4100 万，负载品质因数达到 3400 万。腔体的大模式体积和高品质因数使得激光线宽极低，达到了亚兆赫级水平。集成 OFD 系统的核心在于产生孤子微束。这些微光束是在波导耦合 SiN 微谐振器中通过一种称为耗散克尔孤子形成的过程产生的。微谐振器的横截面宽度为 1.55 μm，高度为 0.8 μm，半径为 228 μm，自由光谱范围 (FSR) 为 100 GHz。图 2：孤子微梳（蓝色）和参考激光器在不同分光比下的光学光谱。如图 2 所示，孤子微梳具有宽广的光学带宽，通常跨越数太赫兹。这种宽带宽可以将光频划分到毫米波和太赫兹域。
OFD 过程是通过两点锁定的技术实现，两个参考激光器被稳定在光学参考腔上，从而提供稳定的频率差。然后，这些参考激光器在不同的光电二极管上与孤子微梳光混合，产生拍频。在电混频器上减去拍频频率，得出光学参考和 N 倍孤子重复率（N 为分频比）之间的频率和相位差。然后，通过对孤子泵浦激光器频率的反馈控制，将这一差值锁相到低频本地振荡器上，从而有效地将光学基准的频率和相位除以孤子重复率。图 3：集成 OFD 系统的实验装置，包括光学参考激光器、孤子微梳产生、两点锁定和相位噪声测量技术。
图 3 展示了实验装置，其中包括掺铒光纤放大器 (EDFA)、偏振控制器 (PC)、相位调制器 (PM)、带通滤波器 (BPF) 和光纤布拉格光栅 (FBG) 滤波器等组件。
测量生成的微波和毫米波信号的相位噪声对于评估集成 OFD 系统的性能很重要，光域相位噪声测量采用了双音延迟自外差干涉测量技术，可以提取参考激光器的瞬时频率和相位波动以及孤子重复率。图 4：光域相位噪声测量结果，显示 OFD 孤子重复率的相位噪声性能优于参考激光器和自由运行的孤子。
图 4 显示了光域相位噪声测量结果，OFD 工艺显着降低了相位噪声。OFD 孤子的相位噪声密切遵循 1/N^2 规则，验证了 OFD 原理。针对毫米波频率的电域相位噪声表征，开发了一种新颖的毫米波到微波频率划分（mmFD）方法，能将 100 GHz 毫米波信号相干地划分为 20 GHz 微波信号，在相位噪声分析仪上直接测量。图 5：（a）毫米波到微波分频（mmFD）方法的简化原理图。(b) mmFD 后压控振荡器（VCO）的典型电光谱，相位稳定为 OFD 孤子或自由运行孤子。(c) 在电域测量相位噪声，比较毫米波相位噪声与参考激光器和在光域测量的 OFD 孤子重复率。
如图 5 所示，mmFD 方法是在谐波射频混频器中将 100 GHz mmWave 与 19.7 GHz VCO 信号混合，产生 VCO 频率的高次谐波。毫米波与 VCO 五次谐波之间的频率差被锁相到一个稳定的本地振荡器上，从而将 VCO 的频率和相位稳定到毫米波的频率和相位，然后就可以直接测量 VCO 的相位噪声，并将其缩放为毫米波相位噪声。
为了产生高功率、低噪声毫米波，OFD 孤子微梳在高速、倒装芯片键合的 CC-MUTC PD 上进行检测。这种光电二极管在 1550 nm 波长时的响应率为 0.23 A/W，3 dB 带宽为 86 GHz，能够高效地产生毫米波。图 6：上图偏压为 -2 V 时，测量到的毫米波功率与光电二极管光电流的关系，最大输出功率为 9 dBm。下图1 kHz 和 10 kHz 偏移频率下测量到的毫米波相位噪声与光电二极管光电流的关系，显示在高输出功率下仍能保持较低的相位噪声。
如图 6上图所示，测量到的毫米波功率随着光电二极管光电流的增加而增加，在 100 GHz 时达到 9 dBm（8 mW）的最大输出功率。值得注意的是，如图 6下图所示，毫米波的相位噪声在不同的光电流水平下始终保持在较低水平，可以同时实现低相位噪声和高功率。
利用 CMOS 兼容 SiN 光电子技术实现的集成光学分频器件，为集成光子毫米波振荡器提供了创纪录的低相位噪声。通过利用光参考腔、孤子微梳和高速光电二极管，在 10 kHz 偏移频率下，100 GHz 毫米波信号的相位噪声达到了 -114 dBc Hz^-1（相当于 10 GHz 载波频率下的 -134 dBc Hz^-1），比以前的集成光子微波和毫米波振荡器高出两个数量级以上。这一突破为开发用于无线通信、雷达和传感系统等各种应用的紧凑型、低成本和高性能微波和毫米波源平定了障碍。未来在光学基准稳定性、孤子微梳产生以及与半导体激光器和放大器的异质集成方面的改进，可进一步提高相位噪声性能和系统集成能力。[1]Sun, S., Wang, B., Liu, K. et al. Integrated optical frequency division for microwave and mmWave generation. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07057-0
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