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Science Advances|基于芯片级光电子技术的高性能微波振荡器

引言

近年来，高性能微波振荡器的需求在诸多领域显著增长，包括相干通信、雷达系统和下一代移动网络。传统电子振荡器在相位噪声性能和频率范围方面存在局限性。本文探讨突破性的方法：基于集成电光频率分频（eOFD）的芯片级光电子微波振荡器。

电光频率分频的基本原理

电光频率分频是利用光学参考的精确性来生成低噪声微波信号的技术。这个过程涉及两个关键组件：

1.稳定的光学频率参考

2.光学到微波的频率分频器

图1：集成eOFD的概念，基于集成eOFD的光电子微波振荡器示意图。

在这个设置中，两个激光器（ν1和ν2）锁定到一个高品质光学谐振器，提供稳定的频率参考。然后，电光调制器从这些激光器生成频率梳。通过比较特定的梳线，产生较低频率的微波信号，用于控制压控振荡器（VCO）。

关键创新

1. 共自注入锁定（cSIL）双激光器参考：

这种芯片级振荡器的第一个主要创新是使用完全片上的双激光器参考。这是通过将两个分布反馈（DFB）激光器共自注入锁定到单个超高Q值的氮化硅（Si3N4）螺旋谐振器来实现的。

图2：14米长Si3N4螺旋谐振器的照片，占地面积为21 x 21毫米。

这种螺旋谐振器设计提供了几个优势：

大模式体积，用于抑制热折射噪声
创纪录的332百万Q值
紧凑的占地面积（21毫米 x 21毫米）

cSIL技术通过消除光学隔离器和复杂的激光锁定机制等外部组件的需求，简化了系统。

2. 集成低Vπ铌酸锂相位调制器：

第二个关键创新是使用薄膜铌酸锂（TFLN）相位调制器来生成电光梳。

图3：具有循环设计和弯曲电极的低Vπ TFLN相位调制器芯片照片。

这个调制器具有以下特点：

循环光学波导设计，增加调制长度
弯曲电极设计，实现紧凑的占地面积（13.75毫米 x 3.5毫米）
低Vπ（π相移所需电压）：18 GHz时为1.5 V

性能和结果

芯片级eOFD振荡器展示了显著的性能：

1. 光学参考稳定性：

图4：来自14米长Si3N4螺旋谐振器的cSIL双激光器参考的相位噪声。

cSIL技术在10 kHz偏置处实现了-94 dBc/Hz的相对相位噪声，这比之前的片上激光系统有显著改进。

2. 电光梳生成：

图5：TFLN相位调制器芯片生成的宽带电光梳谱。

TFLN调制器产生的宽带电光梳具有以下特征：

37.7 GHz的线间距
THz的带宽（3 dB）

3. 微波信号输出：

图6：芯片级eOFD振荡器的相位噪声。

芯片级eOFD振荡器的最终输出显示：

载波频率：37.7 GHz
相位噪声：10 kHz偏置处为-129 dBc/Hz
等效10 GHz性能：10 kHz偏置处为-141 dBc/Hz（缩放后）

这一性能为芯片级光电子微波振荡器设立了新的记录，并可与一些最好的基于体光学的系统相媲美。

系统集成和未来展望

当前的演示使用了分立组件，但作者提出了未来实现的完全集成多芯片模块设计：

图7：集成多芯片模块光电子微波振荡器的设计。

这种集成设计将包括：

两个DFB激光器
Si3N4螺旋谐振器
TFLN调制器
InGaAs光检测器
支持电子线路（激光器驱动器、VCO、放大器）

挑战和未来工作：

1.改善光学带宽：使用谐振TFLN电光梳可能提供更宽的带宽，潜在地导致进一步的相位噪声减少。

2.增强频率可调性：实施串联的单程相位调制器可能提供更好的频率响应和可调性。

3.降低功耗：优化耦合效率和片上损耗可能消除光学放大器的需求，降低整体功耗。

4.热管理：随着集成度的提高，管理热耗散将对维持稳定运行变得非常重要。

结论

基于集成电光频率分频的芯片级光电子微波振荡器代表了高性能信号生成的重大进展。通过结合创新的光学参考、高效的调制器设计和巧妙的集成技术，这些系统在紧凑的形态因子中提供了前所未有的相位噪声性能。

展示的振荡器以其芯片级设备的创纪录低相位噪声，为新一代高性能微波源提供了新的可能性。随着集成技术的改进和新材料的探索，可以期待在电信、雷达系统和量子技术等领域获得更好的性能和更广泛的应用。

这项技术展示了跨学科研究的力量，将光电子技术、材料科学和射频工程的进展结合起来，解决信号生成和处理中的复杂挑战。随着这些芯片级振荡器继续发展，有望在现有和新兴领域中实现新的功能，推动整个高频应用领域的创新。

参考文献

[1]Y. He et al., "Chip-scale high-performance photonic microwave oscillator," Sci. Adv., vol. 10, no. 33, p. eado9570, Aug. 2024, doi: 10.1126/sciadv.ado9570.