高穩(wěn)定低噪聲微波信號在時頻計量就能壓製、射電天文更合理、雷達導(dǎo)航等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。傳統(tǒng)的電學(xué)微波合成方式在穩(wěn)定性和噪聲控制方面已逼近技術(shù)瓶頸更優美，而基于光
電子技術(shù)的微波合成方案為突破這一瓶頸提供了新的路徑有所應。在眾多方案中足了準備，由超穩(wěn)激光與光頻梳構(gòu)成的光分頻方案表現(xiàn)尤為突出，該系統(tǒng)將應(yīng)用于光鐘的超穩(wěn)激光通過光頻梳分頻至微波著力提升，可產(chǎn)生目前已知的穩(wěn)定性最高深刻內涵、噪聲最低的微波信號(團隊成員解曉鵬助理教授是此方案的紀錄保持者)。然而融合，現(xiàn)有光分頻系統(tǒng)普遍存在體積龐大深入闡釋、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，嚴重制約了其實際應(yīng)用完成的事情。如何構(gòu)建緊湊且高魯棒性的光分頻系統(tǒng)物聯與互聯，并進一步探索其噪聲極限，已成為微波光子領(lǐng)域亟待攻克的重要課題改造層面。
近5年供給，光子傳輸與通信全國重點實驗室的北京大學(xué)電子學(xué)院微波光子團隊與中國計量科學(xué)研究院、德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院經驗分享、北京大學(xué)物理學(xué)院等團隊密切合作解決方案，提出了一種基于高相干雙波長激光器與電光梳的雙點分頻法方案，探索了該系統(tǒng)的噪聲極限有力扭轉，并取得了紀錄性的成果上高質量，解決了傳統(tǒng)方案在結(jié)構(gòu)復(fù)雜性方面的難題。2025年4月29日廣度和深度，相關(guān)研究成果以《高相干雙波長激光器及其在低噪聲微波產(chǎn)生中的應(yīng)用》(“Highly coherent two-color laser and its application for low-noise microwave generation”)為題深入交流，在線發(fā)表于《自然·通信》(Nature Communications)。
為實現(xiàn)雙點分頻法方案的噪聲極限加強宣傳，團隊采用了PDH穩(wěn)頻技術(shù)(如圖1所示)臺上與臺下，將兩臺激光器同步至同一超穩(wěn)光學(xué)法布里-珀羅(F-P)腔，使得兩臺激光器之間的相對穩(wěn)定性遠優(yōu)于各自的絕對穩(wěn)定性在此基礎上，最終實現(xiàn)了高相干的雙波長激光器助力各業。PDH穩(wěn)頻技術(shù)被廣泛應(yīng)用于全球計量實驗室，能夠?qū)崿F(xiàn)目前已知的最穩(wěn)定連續(xù)激光提供有力支撐。過去5年來應用，團隊深入研究并有效抑制了雙波長激光器系統(tǒng)中的各類噪聲，雙波長激光器的相對相位噪聲達到-52dBc/Hz@1Hz品率，歸一化至光頻的分數(shù)頻率不穩(wěn)定性達到2.7E-17@1s相貫通，達到國際先進水平。
圖1. 雙波長激光器
在高穩(wěn)定高相干雙波長激光器的基礎(chǔ)上積極影響，團隊利用4.2nm的電光梳將雙波長激光器的相對穩(wěn)定性下轉(zhuǎn)換至微波信號的穩(wěn)定性自動化方案，實現(xiàn)高穩(wěn)定微波信號合成。電光梳的使用大大簡化了傳統(tǒng)光分頻系統(tǒng)的復(fù)雜性越來越重要。由于產(chǎn)生微波信號的相位噪聲低于所有商用相位噪聲分析儀的噪底線上線下，團隊研制了兩套獨立的系統(tǒng)進行拍頻相位噪聲表征發揮重要作用。最終產(chǎn)生的25GHz微波信號的相位噪聲達到-74dBc/Hz@1Hz，分數(shù)頻率不穩(wěn)定性達6E-14@1s數據顯示，與當前時間頻率計量領(lǐng)域最好的氫鐘秒穩(wěn)相當高質量，代表著雙點分頻法的國際最高水平。
在研究高穩(wěn)定高相干雙波長激光器的過程中記得牢，團隊掌握了下一代光鐘所需的超穩(wěn)激光鎖定技術(shù)註入了新的力量。除了本工作中用于光生微波的應(yīng)用外，高相干雙波長激光器還被期望應(yīng)用于高精度干涉儀更多可能性、CPT原子鐘和量子計算等領(lǐng)域去創新。
圖2. 電光分頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與微波相位噪聲測試結(jié)果
北京大學(xué)電子學(xué)院2020級博士研究生何必博、2022級博士研究生楊嘉川和中國計量科學(xué)研究院孟飛副研究員為論文的共同第一作者緊迫性，解曉鵬和孟飛為共同通訊作者結構。參與研究工作和論文撰寫的還有北京大學(xué)微波光子團隊的陳章淵教授、張宸博博士高效，中國計量科學(xué)研究院的左婭妮副研究員溝通協調、林弋戈研究員、方占軍研究員深度，德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院的俞佳良博士和北京大學(xué)物理學(xué)院的楊起帆助理教授帶動擴大。
團隊的前期工作在國際光電子領(lǐng)域頂級會議——2024年激光與電光學(xué)會議(Conference on Lasers and Electro-Optics, CLEO)上被遴選為Post-Deadline Paper(PDP)論文報告核心技術體系，在光電子領(lǐng)域具有較大影響力和代表性開拓創新。2024年度PDP論文共31篇，其中中國大陸僅有3篇入選應用提升。
上述成果得到北京市自然科學(xué)基金(JQ24027)主動性、國家自然科學(xué)基金(62071010，1230030120)發展的關鍵、北京大學(xué)“儀器創(chuàng)制與關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)”項目的支持道路。
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