[论文解读] Integrated optical frequency division for stable microwave and mmWave generation

Shuman Sun, Beichen Wang+15 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 7

一句话总结

该论文展示了一种芯片级、与CMOS兼容的集成光子系统，通过光学频率分频技术生成超低相位噪声的微波和毫米波信号。通过将两个半导体激光器稳定锁定至大模场体积平面波导参考腔，并利用硅氮化物波导耦合微腔中的孤子微梳，该系统实现了创纪录的低相位噪声——相比以往集成光子振荡器提升超过20 dB——同时在100 GHz频段实现了9 dBm的高功率毫米波输出。

ABSTRACT

The generation of ultra-low noise microwave and mmWave in miniaturized, chip-based platforms can transform communication, radar, and sensing systems. Optical frequency division that leverages optical references and optical frequency combs has emerged as a powerful technique to generate microwaves with superior spectral purity than any other approaches. We demonstrate a miniaturized optical frequency division system that can potentially transfer the approach to a CMOS-compatible integrated photonic platform. Phase stability is provided by a large-mode-volume, planar-waveguide-based optical reference coil cavity and is divided down from optical to mmWave frequency by using soliton microcombs generated in a waveguide-coupled microresonator. Besides achieving record-low phase noise for integrated photonic microwave/mmWave oscillators, these devices can be heterogeneously integrated with semiconductor lasers, amplifiers, and photodiodes, holding the potential of large-volume, low-cost manufacturing for fundamental and mass-market applications.

研究动机与目标

• 通过将稳定性功能与频率梳生成功能解耦，克服集成光子微波振荡器中相位稳定性与非线性效率之间的权衡。
• 实现芯片集成、低相位噪声的微波与毫米波生成，性能接近体积极光频率分频系统。
• 在微型化、可制造的平台上，同时实现高光谱纯度与高输出功率，适用于大规模市场应用。
• 展示在单芯片上异质集成氮化硅参考腔、微腔、激光器、放大器和光电二极管的可行性。

提出的方法

• 采用一对商用半导体激光器，通过频率锁定至4米长、基于平面波导的光学参考线圈腔，实现高相位稳定性。
• 利用波导耦合的氮化硅微腔生成重复频率适合微波与毫米波频率分频的孤子频率梳。
• 实施泵浦激光频率的反馈控制，将孤子微梳锁定至参考激光，实现光学稳定性向射频域的相干转移。
• 通过芯片集成的倒装键合InP基CC-MUTC光电二极管对孤子梳进行光电检测，生成100 GHz频段的高功率毫米波信号。
• 应用毫米波频率分频技术，从高频毫米波输出生成低频微波信号。
• 采用双 tone 延迟自外差干涉测量法与直接电相位噪声测量，验证相位噪声从光域到毫米波输出的转移。

Figure 1: Conceptual illustration of integrated optical frequency division. (a) Simplified schematic. A pair of lasers that are stabilized to an integrated coil reference cavity serve as the optical references and provide phase stability for the mmWave/microwave oscillator. The relative frequency di

实验结果

研究问题

• RQ1 全集成光子平台能否实现与体积极光频率分频系统相当的相位噪声性能？
• RQ2 芯片上的大模场体积平面波导参考腔能否提供足够的相位稳定性，以实现低噪声微波与毫米波生成？
• RQ3 集成微腔中的孤子微梳能否被稳定锁定至参考激光，实现低附加噪声的相干频率分频？
• RQ4 能否在集成光子系统中同时生成高功率、低相位噪声的毫米波信号？
• RQ5 通过环境封装与共模噪声抑制，集成振荡器的相位噪声在多大程度上可超越当前技术噪声极限？

主要发现

• 集成光学频率分频系统在10 GHz载波、10 kHz偏移频率下实现-109 dBc/Hz的相位噪声，相比以往集成光子微波振荡器提升超过20 dB。
• 100 GHz毫米波信号在10 kHz偏移频率下相位噪声为-112 dBc/Hz，输出功率达9 dBm，为该频段光电振荡器中报道的最高之一。
• 光域与电域的相位噪声测量在100 Hz至100 kHz偏移频率范围内高度一致，验证了从孤子梳重复频率到毫米波信号的稳定性相干转移。
• 相位噪声在光电流1至18.3 mA范围内几乎保持不变，表明高功率与低相位噪声可同时实现，且与光电二极管偏置电流无关。
• 系统相位噪声目前受限于参考激光器的技术噪声，而非腔体的热光折射噪声，表明通过环境封装与噪声抑制可进一步提升性能。
• 所演示的分频比受限于激光器调谐范围，而非微梳带宽，表明利用具有八度频带覆盖的色散工程微腔，可实现更高分频比。

Figure 2: Experimental setup. A pair of reference lasers are created by stabilizing frequencies of lasers A and B to a SiN coil waveguide reference cavity, which is temperature controlled by thermoelectric cooler (TEC). Soliton microcomb is generated in an integrated SiN microresonator. The pump las