DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07058-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38448599
تاريخ النشر: 2024-03-06
المؤلف: Igor Kudelin وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا الليزر الألياف المتقدمة
نظرة عامة
يتناول هذا القسم التقدم في الفوتونيات الميكروويفية، مع التركيز على توليد إشارات ميكروويفية منخفضة الضوضاء من خلال أنظمة فوتونية متكاملة. يعتمد توليد الإشارات الميكروويفية التقليدي على البصريات الضوئية الضخمة أو الألياف، مما يطرح تحديات من حيث الحجم واستهلاك الطاقة. يقترح المؤلفون نهجًا جديدًا يستخدم تقسيم التردد الضوئي بنقطتين (2P-OFD) مع مكونات فوتونية متكاملة، من خلال تثبيت ليزر ذات حقول ضيقة العرض ذاتية الحقن في تجويف فابري-بروت مصغر. يحقق هذا الأسلوب إشارة ميكروويفية عند 20 جيجاهرتز مع خصائص ضوضاء طور استثنائية تبلغ -96 ديسيبل/هرتز عند انزياح 100 هرتز، تتحسن إلى -135 ديسيبل/هرتز عند انزياح 10 كيلو هرتز، مما يمثل علامة فارقة مهمة لأنظمة الفوتونيات المتكاملة.
تسلط الأبحاث الضوء على الدور الحاسم لإشارات الميكروويف منخفضة الضوضاء في تطبيقات متنوعة، بما في ذلك الملاحة، والاتصالات، والساعات الذرية عالية الأداء. يسمح دمج المكونات الفوتونية بتقليل كبير في حجم النظام واستهلاك الطاقة، حيث يتم تحقيق شكل مضغوط بحجم عشرات المليلترات ومتطلبات طاقة تقل بمقدار 1000 إلى حوالي 1 واط. تعالج هذه الابتكارات الطلب المتزايد على مصادر الميكروويف المحمولة والفعالة، مما يسهل تطبيقها في المنصات البعيدة والمتحركة مع الحفاظ على استقرار عالٍ ونقاء طيفي.
النتائج
في هذا القسم، يقدم المؤلفون توضيحًا تقنيًا مفصلًا للإعداد التجريبي المستخدم لتثبيت مجموعة الترددات وتوليد إشارات ميكروويفية مستقرة، كما هو موضح في الشكل 2. تركز المناقشة على المبادئ التشغيلية وخصائص المكونات الحيوية المعنية في النظام.
يؤكد المؤلفون على التفاعل المتماسك بين هذه المكونات، والذي يعد ضروريًا لتحقيق ضوضاء طور منخفضة في إشارات الميكروويف المولدة. يعتبر هذا الدمج حاسمًا لتعزيز أداء وموثوقية عملية توليد الميكروويف، مما يساهم في التقدم في تقنيات القياس الدقيق والاتصالات.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون التقدم في توليد إشارات الميكروويف باستخدام تجويف فابري-بروت (F-P) مصغر وليزر ذات حقن ذاتية (SIL)، محققين تحسينات كبيرة في أداء ضوضاء الطور. يظهر تجويف F-P، المصنوع من زجاج ذو تمدد منخفض للغاية ويبلغ طوله 6.3 مم فقط، استقرار ترددي جزئي عند مستوى $10^{-14}$، مع دقة تبلغ حوالي 900,000. يسمح هذا التصميم برفض وضع مشترك ملحوظ (CMR) يبلغ 40 ديسيبل بين الليزرات المرجعية المقفلة على نفس التجويف، والذي، عند دمجه مع تقسيم التردد الضوئي بنقطتين (2P-OFD)، من المتوقع أن يقلل من ضوضاء التجويف بحوالي 80 ديسيبل على الحامل الميكروويفي.
يعتبر دمج ليزر SIL، التي تظهر أداء ضوضاء مشابهًا لليزر الألياف الأكبر، أمرًا حيويًا لتحقيق استقرار عالٍ. يتم تثبيت هذه الليزرات مسبقًا على رنان حلزوني من نيتريد السيليكون عالي الجودة، مما يقلل بشكل كبير من ضوضاء التردد. يوضح المؤلفون استخدام رنان مزدوج الحلقة لتوليد ميكروكومب مظلم، مما يسهل توليد الميكروويف بكفاءة. يتم تحقيق تثبيت إشارة الميكروويف المولدة من خلال آلية قفل بنقطتين، مما يؤدي إلى مخرج ميكروويفي منخفض الضوضاء مع ضوضاء طور تبلغ $-135 \text{ dBc/Hz}$ عند انزياح 10 كيلو هرتز. يبرز هذا العمل الإمكانية لأنظمة فوتونية متكاملة بالكامل يمكنها إنتاج إشارات ميكروويفية منخفضة الضوضاء في شكل مضغوط، مما يمهد الطريق لتطبيقات في الملاحة، والاتصالات، والتوقيت الدقيق.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07058-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38448599
Publication Date: 2024-03-06
Author(s): Igor Kudelin et al.
Primary Topic: Advanced Fiber Laser Technologies
Overview
This section discusses advancements in microwave photonics, focusing on the generation of low-noise microwave signals through integrated photonic systems. Traditional microwave signal generation relies on bulk or fiber optics, which pose challenges in terms of size and power consumption. The authors propose a novel approach utilizing two-point optical frequency division (2P-OFD) with integrated photonic components, specifically through the stabilization of narrow-linewidth self-injection-locked lasers to a miniaturized Fabry-Pérot cavity. This method achieves a microwave signal at 20 GHz with exceptional phase noise characteristics of -96 dBc/Hz at a 100 Hz offset, improving to -135 dBc/Hz at a 10 kHz offset, marking a significant milestone for integrated photonic systems.
The research highlights the critical role of low-phase-noise microwave signals in various applications, including navigation, communication, and high-performance atomic clocks. The integration of photonic components allows for a substantial reduction in system size and power consumption, achieving a compact form factor of tens of milliliters and a power requirement reduced by a factor of 1000 to approximately 1 W. This innovation addresses the growing demand for portable and efficient microwave sources, facilitating their application in remote and mobile platforms while maintaining high stability and spectral purity.
Results
In this section, the authors present a detailed technical illustration of the experimental setup employed for frequency comb stabilization and the generation of stable microwave signals, as depicted in Figure 2. The discussion focuses on the operational principles and characteristics of the critical components involved in the system.
The authors emphasize the cohesive interaction among these components, which is essential for achieving low-phase noise in the generated microwave signals. This integration is crucial for enhancing the performance and reliability of the microwave generation process, thereby contributing to advancements in precision measurement and communication technologies.
Discussion
In this section, the authors discuss advancements in microwave signal generation using a miniature Fabry-Pérot (F-P) cavity and self-injection-locked (SIL) lasers, achieving significant improvements in phase noise performance. The F-P cavity, constructed from ultralow expansion glass and measuring only 6.3 mm in length, demonstrates fractional frequency stability at the $10^{-14}$ level, with a finesse of approximately 900,000. This design allows for a remarkable common-mode rejection (CMR) of 40 dB between reference lasers locked to the same cavity, which, when combined with two-point optical frequency division (2P-OFD), is projected to reduce cavity noise by about 80 dB on the microwave carrier.
The integration of SIL lasers, which exhibit noise performance comparable to larger fiber lasers, is critical for achieving high stability. These lasers are prestabilized to a high-Q silicon nitride spiral resonator, significantly suppressing frequency noise. The authors detail the use of a dual coupled-ring resonator to generate dark soliton microcombs, which facilitate efficient microwave generation. The stabilization of the generated microwave signal is achieved through a two-point locking mechanism, resulting in a low-noise microwave output with a phase noise of $-135 \text{ dBc/Hz}$ at a 10 kHz offset. This work highlights the potential for fully integrated photonic systems that can produce low-noise microwave signals in a compact form factor, paving the way for applications in navigation, communications, and precise timing.