微波和MMWave生成的集成光频部

　　具有高光谱纯度的微波炉和MMWave对于广泛的应用1,2,3至关重要，包括计量学 ，导航和光谱学 。由于与电振荡器相比
，参考腔稳定激光器的优势分数频率稳定性为14，现在使用光频部使用光学频率为4,5,6,7（OFD） ，在光学系统中可以实现最稳定的微波源
。分区过程的必不可少的是光学频率Comb4
，它一致地将光学频率下稳定参考的分数稳定性转移到射频下的梳子重复速率。在频分中，相对于输入信号的平方 ，输出信号的相位噪声减少了 。报道了降低至86 dB的相位降低因子4
。但是
，到目前为止，从OFD中得出的最稳定的微波依赖于散装或基于纤维的光学参考为4,5,6,7 ，这限制了需要极低的微波相位噪声的应用程序的进度。 　　已经对集成的光子微波振荡器进行了大量研究，以实现其微型化和大量量制造的潜力 。已经显示出多种光子方法可产生稳定的微波炉和/或MMWave信号
，例如直接杂作检测一对激光15，基于微腔的基于微腔的刺激性刺激的Brillouin Lasers16,17和基于Soliton微孔子的频率combs118,19,20,21,21,22223（microcombs）
。对于固态光子振荡器 ，最终由热浪费噪声（TRN）限制了分数稳定性
，该噪声随着腔模式体积的增加而降低。最近已显示8,25张大型量的大型集成腔，其长度和超过1亿质量（Q）质量（Q） ，以将激光宽度降低至HZ级
，同时在9,26,27厘米级维持芯片足迹 。但是，增加的腔体模式体积降低了有效的腔内非线性强度 ，并增加了布里鲁因和Kerr参数振荡的转交功率。对于集成的腔体构成了一个艰巨的挑战
，即同时实现微波生成的高稳定性和非线性振荡
。对于与光子电路集成的振荡器，在SIN光子平台中显示了以10 kHz偏移频率报告的最佳相位噪声 ，当将载体频率缩放到10 GHz时
，达到-109 dBC Hz -1（参考文献21,26）。这比大部分振荡器高的数量级高 。OFD的集成光子版本可以从根本上解决此权衡，因为它允许在OFD中使用两个不同的集成谐振器来实现不同的目的：一个大型量谐振器 ，以提供出色的分数稳定性和用于产生Soliton microcombs的微孔子
。他们共同可以为集成振荡器的稳定性提供重大改进。 　　在这里，我们通过展示集成的芯片尺度OFD来显着推进光子微波和MMWAVE振荡器中的最新技术 。我们的演示基于互补的金属 - 氧化物 - 氧化物 - 兼容犯罪的犯罪积分光子平台28
，并为基于光子的MMWAVE振荡器系统达到记录 - 低相位噪声
。振荡器从一对商业半导体激光器中得出稳定性，这些激光器稳定在基于平面波导的参考腔中（图1）。然后 ，使用集成的孤子siliton microcomb10,11,12将两个参考激光器的频率差通过两点锁定方法将其分为MMWave 。尽管最近显示了30,31个稳定对基于长纤维的光学参考的孤子微角色
，但尚未报道其与综合光学参考的组合
。微腔的较小尺寸允许孤子重复率达到MMWAVE和THZ频率12,30,32，它们在5G/6G无线通信中具有新兴应用33 ，Rooder Astromanony34和Radar2。低噪声
，高功率MMWAVE是通过在高速翻转芯片键合电荷的修改式Uni-travelling载流子光电二极管（CC-MUTC PD）上的高速翻转芯片粘合电荷修饰的修改后产生的 。为了应对高频信号的相位噪声表征的挑战，开发了一种新的MMWave至微波频划分（MMFD）方法 ，以在输出低噪声辅助微波信号时测量MMWave相位噪声
。生成的100 GHz信号在10 kHz偏移频率下达到-114 dBC Hz-1的相位噪声（相当于10 GHz载波频率为-134 dBC Hz-1）
，这比以前的基于SIN基的光子Microwave和MMMWAVE振荡器21,26。将MMWave输出功率推向9 dBm（8 MW）时，可以保持超低相噪声 ，该噪声仅比100 GHz的光子振荡器的记录低1 dB（参考文献36） 。基于芯片的参考腔
，产生孤子的微孔子和CC-MUTC PD的图片如图1B所示。 　　我们的演示中的集成光学参考是薄膜sin 4米长的线圈腔
。该腔的横截面为6μm宽×80 nm高，大约50 MHz的自由光谱范围（FSR） ，内在质量系数为41×106（41×106），负载质量系数为34×106（31×106）
，当时为1,550 nm（1,550 nm（1,1,600 nm）。线圈腔为参考激光器提供了出色的稳定性，因为其大模式体积和高质量因子9 。在这里 ，两个广泛可调的激光器（NewFocus速度TLB-6700
，称为激光A和B）通过磅 - drever-drever-hall锁定技术稳定在线圈腔中，伺服带宽为90 kHz
。它们的波长可以调节1,550 nm（FA = 193.4 THz）和1,600 nm（FB = 187.4 THz） ，可为OFD提供多达6 THz的频率分离。设置示意图如图2所示 。 　　孤子微晶体是在集成的Bus-WaveGuide耦合的SI3N4微环谐振器10,12中生成的
，横截面为1.55μm宽×0.8μm
。环谐振器的半径为228μm，FSR为100 GHz ，固有（负载）质量系数为4.3×106（3.0×106）。环谐振器的泵激光器源自Morton Photonics37的超低噪声半导体扩展分布的Bragg反射激光的第一个调制边带
，并且可以通过电压控制振荡器（VCO）快速调谐边带频率 。这可以通过实施泵Laser38的快速频率扫描，以及通过调整VCO30来快速伺服重复率来生成单一的孤子生成
。孤子微角色的光谱显示在图3a中 ，该光谱的3 dB带宽为4.6 THz。参考激光器的光谱也绘制在同一图中 。 　　OFD用两点锁定方法29,30实现
。将两个参考激光器用孤子微晶体在两个单独的光电二极管上进行偶像
，以在参考激光器及其最近的梳子线之间创建节拍音符。节拍音符频率为Δ1= fa-（fp+n×fr）和Δ2= fb-（fp+m×fr），其中fr是soliton的重复速率 ，fp是泵激光频率，n
，m，m是梳子线数相对于泵线数 。然后将这两个节拍音符在电气混合器上减去 ，以产生光学参考和重复速率的n时间之间的频率和相位差：δ=δ1-δ2=（fa -fb） - （n×fr）
，其中n = n -m是除法比率。然后将频率δ除以五个电子方式，然后通过对VCO频率的反馈控制 ，将相位锁定到低频局部振荡器（LO
，FLO1）
。VCO频率的调整直接调节泵激光频率，然后通过拉曼自频移动和分散波后退效应20来调整孤子重复速率20。因此 ，在伺服带宽内
，光学参考的频率和相位被划分为孤子重复率，为FR =（fa -fb -5flo1）/n 。由于局部振荡器的频率在10 S MHz范围内 ，并且与光学参考相比
，其相位噪声可以忽略不计，因此在伺服锁定带宽内孤子重复速率（SR）的相位噪声取决于光学参考（SO）：SR = SR = SO/N2的光学参考（SO）
。 　　要测试OFD ，测量了OFD唯一重复速率的相位噪声的n = 2 、3
、6、6 、10
、20、30和60。在测量中，一个参考激光器保持在1,550.1 nm
，而另一个参考激光器则调整为微度量FSR的波长（图） 。参考激光器和孤子微角群的相位噪声通过使用双色调延迟的自杂化干涉测量法39在光学结构域中测量
。在这种方法中，可以将两个在不同频率的激光器发送到一个不平衡的马赫 - 齐汉德干涉仪中 ，其中一个臂中有一个声学播放器调制器（图2）。然后
，将两个激光器通过纤维 - bragg光栅过滤器分离，并在两个不同的光二极管上检测到 。这两个激光器的瞬时频率和相波可以通过使用Hilbert Transform从光电探测器信号中提取
。使用此方法 ，测量了两个稳定参考激光器之间的相位差的相位噪声
，并在图3B中显示。在这项工作中，参考激光器的相位噪声未达到参考空腔的热折射噪声极限 ，并且很可能受到环境声和机械噪声的限制 。对于孤子重复速率相位噪声测量
，一对具有梳子数量L和K的梳子线由可编程的逐线波动器选择并发送到干涉仪中
。测量其相位差的相位噪声，其除法（l -k）2产生了孤子重复率相位噪声39。 　　相位噪声测量结果如图3C ，d所示 。孤子重复率的最佳相位噪声是通过60的分裂比实现的
，并在图3C中显示。为了进行比较，该图还显示了参考激光器的相位噪声和没有OFD的自由运行孤子的重复率
。在100 kHz偏移频率以下 ，OFD soliton的相位噪声约为602，低于参考激光器的相位36 dB
，并且与OFD的投影相位噪声非常匹配（参考激光器的噪声 - 36 dB）。从大约148 kHz（OFD伺服带宽）到600 kHz偏移频率，OFD Soliton的相位噪声由OFD锁定环的伺服泵支配 。超过600 kHz的偏移频率 ，相位噪声遵循自由运行的Soliton的噪声
，该噪声可能会受到泵Laser20噪声的影响
。提取所有分裂比的1和10 kHz偏移频率的相位噪声，并在图3D中绘制。阶段噪声遵循1/N2规则 ，验证了OFD 。 　　对于微波或MMWAVE振荡器
，OFD孤子重复率的测量相位噪声较低
。为了进行比较，在将载流子频率缩放到100 GHz后 ，在图3D中给出了Keysight E8257D PSG信号发生器（标准模型）的相位噪声。在10 kHz偏移频率下
，我们集成的OFD振荡器的相位噪声为-115 dBC Hz -1，比标准PSG信号发生器要好20 dB 。与稳定到长光纤30的集成微型振荡器相比 ，我们的集成振荡器在10 kHz偏移频率下与相位噪声匹配
，并在5 kHz偏移频率以下提供更好的相位噪声（载波频率缩放到100 GHz）
。我们推测这是因为与纤维参考相比，我们的光子芯片是刚性且小的 ，因此受到振动和冲击等环境噪音的影响较小。这展示了综合光子振荡器的能力和潜力 。与集成的光子微波和MMWAVE振荡器相比，我们的振荡器显示出非凡的性能：在10 kHz偏移频率下
，其相位噪声比其他演示效果好两个以上的数量级以上，包括自由运行的SIN SIN SOLITON MICROCOMB OSCILLATORS21,2621,26和最新的单枪光灯
。Kudelin等人最近的工作是一个值得注意的例外 ，其中6 dB通过稳定20 GHz Soliton MicroComb振荡器来实现更好的相位噪声
，从而获得了微型Fabry -Pérot参考腔。 　　然后将OFD Soliton Microcomb发送到MMWave生成的高功率，高速翻转芯片CC-MUTC PD 。类似于单次旅行载体PD42 ，CC-MUTC PD中的载流子运输主要取决于快速电子
，该快速电子提供高速并降低了由于空间充电筛选而引起的饱和效应。通过将PD粘结到氮化铝铝制的铝制镀金波导中，可以进一步增强功率处理 ，以进行散热下沉43
。这项工作中使用的PD是8μm直径的CC-MUTC PD
，其在1,550 nm波长下为0.23 a/w响应性，3 dB带宽为86 GHz。CC-MUTC PD的详细信息在其他地方描述了44 。尽管生成的MMWave的功率表征很简单 ，但由于频率超过大多数相位噪声分析仪的带宽
，因此在100 GHz处的相位噪声测量并不是微不足道的
。一种方法是构建两个相同但独立的振荡器，并将频率下降进行相位噪声测量。但是 ，由于实验室资源的限制，这对我们来说是不可行的 。取而代之的是
，开发了一种新的MMWave至微波频划分方法，以将100 GHz MMWAVE划分为20 GHz微波炉 ，然后可以直接在相位噪声分析仪上进行测量（图4A）
。 　　在此MMFD中
，生成的100 GHz MMWAVE和19.7 GHz VCO信号被发送到谐波射频（RF）混合器（Pacific MMWave，型号WM/MD4A） ，从而产生较高的VCO频率和谐音
，以与MMWave混合。混合器输出VCO频率的MMWAVE和第五谐波之间的频率差：ΔF= Fr -5fvCo2和ΔF设置为1.16 GHz 。然后通过反馈控制VCO频率将ΔF相锁定到稳定的局部振荡器（FLO2）
。这稳定了VCO与伺服锁定带宽内MMWave的频率和相位，因为FVCO2 =（FR - FLO2）/5。然后 ，直接在相位噪声分析仪上测量VCO的电频谱和相位噪声
，并在图4b，c中介绍 。MMFD伺服循环的带宽为150 kHz
。19.7 GHz VCO的相位噪声可以缩放到100 GHz ，以表示MMWave相位噪声的上限。为了进行比较
，还绘制了参考激光器的相位噪声和在光学结构域中使用双色调延迟自核干涉方法测得的OFD孤子重复率 。在100 Hz至100 kHz偏移频率之间，孤子重复率的相位噪声和产生的MMWAVE彼此匹配。这验证了MMFD方法 ，并表明孤子重复率的相位稳定性已很好地传递到MMWAVE
。低于100 Hz的偏移频率，光学结构域中的测量值在干扰法中的200 M光纤中遭受相位漂移的影响
，因此产生相位噪声高于用电气方法测量的相位噪声。 　　最后，通过改变PD上照明的光学功率 ，在-2 V偏置时测量MMWave相位噪声和功率与MUTC PD光电流相对于MUTC PD光电流 。尽管MMWave功率随光电流的增加而增加（图4D）
，但对于所有不同的光电流，MMWave的相位噪声几乎保持不变（图4E）
。这表明同时实现了低相位噪声和高功率。9 dBm的实现功率是光子振荡器以100 GHz频率报告的最高功率之一36 。