【资讯】面向6G：硅基外腔低噪声光源生成亚Hz线宽微波信号

近年来，6G技术不断向高中低多频段融合、通信感知一体化以及空天地一体化演进，对高频段低噪声微波信号的生成提出了更高的要求。如何在有限的尺寸、体积和功耗限制下保证高频载波的相噪纯净度，始终是困扰学术界和产业界的难题。芯片级集成光子微波信号生成方案因大带宽、低噪声、结构紧凑的优势，被视为突破传统方案性能瓶颈的重要途径。然而，该方案在过去数十年的发展中仍然面临两大核心挑战，阻碍其走向实际应用：一是结构复杂，通常需要多种光子集成平台协同，并增加额外的高精度频率锁定结构；二是机制复杂，往往需要引入难以触发和稳定控制的非线性微腔光梳。

针对上述问题，中国移动研究院联合清华大学，首次提出利用硅基外腔自注入锁定效应稳定激发激光器自脉动现象，实现了一个新型硅基外腔低噪声光梳激光器，激光器线宽低至34.9 Hz。在此基础上，该团队提出光-电-光（O-E-O）反馈锁模增强结构，进一步降低拍频微波信号相位噪声，最终生成了芯片级亚赫兹（0.8 Hz）线宽的光子微波信号。

该工作首先提出了一个基于自注入锁定机制的新型硅基外腔低噪声光源。其中，氮化硅外腔芯片由高Q微环谐振腔和布拉格反射光栅组成，提供周期性超窄带谐振反馈，与DFB激光器芯片进行混合集成。与传统单模自注入反馈机制不同，该氮化硅外腔芯片通过在激光腔内激发自脉动现象，触发间隔等于外腔FSR的自注入光频梳。此外，该低损氮化硅外腔延长光子寿命，从而实现超窄线宽。而拍频信号通过直调反馈回激光器，构成了光-电-光反馈环路，利用氮化硅外腔芯片作为高Q滤波器，进一步增强光频梳的锁模特性，实现拍频相噪优化。该结构的原理示意图如图1所示。

图1 (a) 基于硅基外腔低噪声光源和光-电-光（O-E-O）反馈环路的光子微波信号生成结构示意图；(b) 基于自注入锁定机制的光频梳以及基于光-电-光反馈环路的锁模性能增强

实验首先对硅基外腔低噪声光源的光频梳性能进行了表征，如图2所示，测得在1550 nm附近产生了频率间隔为12.43 GHz的光频梳，且本征线宽低至34.9 Hz。此外，该团队对硅基外腔低噪声光源的拍频信号产生进行了实验测量，验证可得到0.8 Hz洛伦兹线宽的超纯净微波信号，单边带相噪低至−92.1 dBc/Hz@10 kHz和−128.3 dBc/Hz@1 MHz，整体性能与商用台式微波信号合成器相当。通过对比测试，光-电-光反馈环路对10 kHz处的相位噪声优化超40 dB。

图2 (a) 自注入频梳光谱；(b) 光源频率噪声；(c) 微波信号单边带相位噪声；(d) 0.8 Hz洛伦兹线宽拟合

该工作提出了基于低噪声自注入硅基外腔光梳激光器的芯片级集成光子微波信号产生，展示了与商用微波信号合成器相当的低相位噪声特性，射频洛伦兹线宽达0.8 Hz。与已有方案相比，该工作提出的方案无需额外的频率锁定装置，即可具备高频率稳定性（16 kHz@5min）；且相比于非线性微腔方案，无需复杂的非线性微腔制造和状态调控，为芯片级集成光子微波信号产生的发展提供了新的解决思路，未来有望用于6G移动通信、高速相干光通信等领域。

参考文献： 中国光学期刊网

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