集成氮化硅光子学驱动的微腔克尔光频分技术：芯片级低噪声毫米波振荡器的实现与突破

    在雷达探测、5G/6G无线通信、射电天文学及高精度光谱学等关键领域，稳定的微波与毫米波信号是保障系统性能的核心要素——信号的谱纯度与相位噪声水平直接决定了设备的探测精度、通信速率及观测分辨率。长期以来，光频分（OpticalFrequencyDivision,OFD）技术凭借“将光学频率的高分数阶稳定性相干转移至电子频率”的独特能力，成为生成高纯度微波/毫米波信号的核心技术路径。然而，传统光频分技术依赖复杂的伺服控制组件，存在体积庞大、功耗较高及锁定带宽受限（通常仅数百千赫兹）等问题，难以满足芯片级集成与便携化应用的需求。
    近期，美国弗吉尼亚大学电气与计算机工程系ShumanSun团队在《NaturePhotonics》（2025年第19卷，637-642页）发表的研究成果，为上述困境提供了突破性解决方案。该团队基于集成氮化硅（SiN）光子学构建微腔克尔光频分系统，成功实现一款超低相位噪声的毫米波振荡器。此项技术不仅突破了传统光频分对辅助控制组件的依赖，更将锁定带宽提升至数十兆赫兹量级，为光频分技术的芯片级产业化应用奠定了关键基础。

    一、核心技术突破：克尔光频分的极简架构革新
    传统光频分技术的核心局限在于系统架构的复杂性——为实现孤子微梳谱线与光学参考的相位锁定，需额外配置光电二极管、电子比例-积分-微分控制器、低频本地振荡器等辅助组件，且伺服带宽受限于硬件性能，难以满足高稳定性信号生成需求。ShumanSun团队提出的克尔光频分技术，通过光学微谐振器内的非线性克尔效应实现“被动锁定”，从根本上简化了系统设计，其核心原理可概括为“双参考激光-孤子微梳”的协同作用机制：
    1.参考激光的双重功能定位
    将两台外腔二极管激光器（激光A与激光B）通过锁定技术稳定于同一集成氮化硅线圈参考腔内。其中，激光A兼具“泵浦源”与“基准谱线”双重角色：一方面作为泵浦激光注入微谐振器，激发产生孤子微梳，其频率对应孤子微梳的“第零条谱线”；另一方面，激光B被注入同一微谐振器，其频率设定为接近孤子微梳的“第N条谱线”，形成频率基准参照。
    2.克尔效应主导的被动锁定机制
    在微谐振器内部，激光A与激光B相互作用形成振幅调制背景，借助非线性克尔效应“捕获”孤子微梳中的孤子，使孤子微梳的时间基准与两台参考激光的频率基准实现同步。在时域维度，孤子的重复周期为两台参考激光拍频周期的N倍；在频域维度，孤子的重复频率为两台参考激光频率差的1/N，从而自发完成“频率分频”过程，无需额外控制模块干预。
    3.毫米波信号的高效生成
    将克尔锁定后的孤子微梳导入高速“电荷补偿改性单元行波载流子光电二极管”，通过光电转换直接输出稳定的毫米波电信号。
    与传统伺服控制光频分方案相比，该架构具备颠覆性优势：无需任何辅助控制组件，仅需185μW的注入激光功率即可实现超过30MHz的最大锁定带宽，显著提升信号稳定性的同时，大幅降低系统的体积、重量与功耗（Size,WeightandPower,SWaP），完全适配芯片级集成的技术需求。

    二、关键支撑组件：集成氮化硅光子学的性能突破
    克尔光频分技术的实现，依赖于集成氮化硅光子学三大核心组件的性能突破，三者共同构成低噪声毫米波生成的硬件基础，具体参数与功能如下表所示：

    值得注意的是，氮化硅材料具备CMOS工艺兼容性，这意味着该系统可与现有半导体量产工艺对接，为后续大规模、低成本产业化应用提供了技术可行性。

    三、性能表征：超低相位噪声与高稳定性的实测验证
    相位噪声是衡量毫米波振荡器性能的核心指标，其数值越低，表明信号稳定性越强，系统工作精度越高。ShumanSun团队通过严谨的实验设计，对基于克尔光频分的毫米波振荡器进行了全面性能表征，实测数据显示该系统在关键指标上实现了对现有技术的全面超越：
    1.相位噪声性能突破
    为适配相位噪声分析仪的测量范围，将生成的109.5GHz毫米波通过“毫米波-微波分频”技术降至18.1GHz后进行测量，再通过频率缩放还原至原载波频率（或标准10GHz载波）。结果显示：当载波频率缩放至10GHz时，10kHz偏移频率下的相位噪声低至-142dBc/Hz，相较于商用信号发生器，性能提升约27dB；100Hz偏移频率下的相位噪声达-98dBc/Hz，显著优于传统光频分方案的性能水平。
    2.输出功率与稳定性
    在14mA光电流条件下，毫米波信号的最大输出功率可达3.4dBm；通过改变光电流强度进行稳定性测试，结果表明不同功率水平下相位噪声无显著波动，系统输出稳定性优异。
    3.跨方案性能对比
    将该振荡器与当前最先进的集成孤子微梳振荡器（包括光纤参考方案、法布里-珀罗腔参考方案、集成光学参量振荡器方案等）进行对比，所有载波频率均缩放至10GHz以确保可比性。结果显示：该系统在5kHz~100kHz偏移频率范围内性能与最优方案持平，而在100kHz以上偏移频率时，因克尔光频分的大锁定带宽（30MHz以上），相位噪声显著更低，彻底规避了传统方案中常见的“伺服凸起”问题。

    四、应用前景：多领域技术赋能与产业化潜力
    基于集成氮化硅光子学的微腔克尔光频分技术，凭借其芯片级集成特性、超低相位噪声及高稳定性，有望为多个战略领域提供核心器件支撑，具体应用场景包括：
    1.5G/6G无线通信
    5G毫米波频段（24~40GHz）及6G潜在的太赫兹频段对信号稳定性要求严苛，该技术可提供芯片级低噪声毫米波源，为基站小型化与终端设备便携化提供技术支撑，同时提升通信系统的抗干扰能力与传输速率。
    2.高精度雷达系统
    无论是民用自动驾驶激光雷达，还是军用相控阵雷达，低相位噪声信号均是提升目标探测精度与探测距离的关键。该振荡器可直接集成于雷达收发模块，简化系统架构的同时，保障雷达的高性能运行。
    3.射电天文学
    射电望远镜需处理极其微弱的宇宙信号，对后端信号处理单元的谱纯度要求极高。集成化的低噪声振荡器可降低设备体积与功耗，适配射电望远镜阵列的大规模部署需求，助力捕捉更细微的宇宙信号特征。
    4.高精度光谱学
    在分子结构分析、环境污染物监测等光谱学应用中，稳定的毫米波信号可提升光谱分辨率，帮助科研人员获取更精准的物质结构信息，推动相关领域的研究进展。

    五、未来展望：技术优化与全集成目标
    尽管当前方案已实现显著突破，研究团队仍提出了进一步的技术优化方向，以推动该技术向更广泛应用场景延伸：
    1.性能持续提升
    通过增大分频比N（将注入激光频率调整至远离孤子微梳中心），可进一步降低相位噪声；针对大分频比下梳谱线功率衰减的问题，可引入色散波技术，将梳谱线功率提升数个数量级，弥补功率损失。
    2.系统集成度与成本优化
    未来若将该方案与“激光二极管直接泵浦的孤子微梳”结合，有望彻底消除对光学放大器的依赖，进一步简化系统架构、降低成本，推动“全集成芯片”的实现。
    3.频段覆盖拓展
    针对100GHz以上频段的毫米波/太赫兹信号生成与相位噪声表征难题，需开发更高性能的微谐振器与光电转换组件，拓展技术的频段适用范围，满足更广泛的应用需求。
    综上所述，美国弗吉尼亚大学团队提出的基于集成氮化硅光子学的微腔克尔光频分技术，不仅突破了传统光频分技术的架构局限，实现了芯片级低噪声毫米波振荡器的落地，更为下一代通信、雷达、天文观测等领域提供了核心器件解决方案。随着集成光子学工艺的持续成熟，该技术有望在未来实现大规模产业化应用，推动相关领域的技术革新与性能跃升。