شومان صنبيتشين وانغكاياي ليومارك و. هارينغتونفاطمة سادات طباطبائيروكسيان ليوجياوي وانغسامين حنفيجيسي س. مورغانمندنا جهانبزرگیزيجياو يانغستيفن م. باورز¹، بول أ. مورتونكارل د. نيلسونأندرياس بيلينغدانيال ج. بلومنتال
الملخص
يمكن أن يؤدي توليد الموجات الميكروية والموجات المليمترية ذات الضوضاء المنخفضة للغاية في منصات مصغرة قائمة على الرقائق إلى تحويل أنظمة الاتصالات والرادار والاستشعار.لقد ظهرت تقنية تقسيم الترددات الضوئية التي تستفيد من المراجع الضوئية وأمشاط الترددات الضوئية كطريقة قوية لتوليد الموجات الدقيقة ذات النقاء الطيفي المتفوق مقارنة بأي طرق أخرى.. هنا نعرض نظام تقسيم التردد البصري المصغر الذي يمكن أن ينقل النهج إلى منصة فوتونية متكاملة متوافقة مع أشباه الموصلات المعدنية-أكسيدية المكملة. يتم توفير استقرار الطور من خلال حجم وضع كبير، ووعاء مرجعي بصري قائم على الموجة المسطحة.وينقسم من الترددات البصرية إلى ترددات المليمتر الموجي باستخدام ميكروكومب سوليتون الذي يتم توليده في رنان ميكروي مرتبط بالموجات.بالإضافة إلى تحقيق ضوضاء طور منخفضة قياسية لمذبذبات الموجات المليمترية الضوئية المتكاملة، يمكن دمج هذه الأجهزة بشكل غير متجانس مع الليزر شبه الموصل، والمضخمات، وكاشفات الضوء، مما يحمل إمكانية التصنيع بكميات كبيرة وبتكلفة منخفضة للتطبيقات الأساسية وسوق الكتلة..
الموجات الدقيقة والموجات المليمترية ذات النقاء الطيفي العالي ضرورية لمجموعة واسعة من التطبيقاتبما في ذلك القياس، والملاحة، والطيفية. نظرًا للاستقرار الفائق في التردد الجزئي لليزر المثبت في تجويف مرجعي مقارنة بالمذبذبات الكهربائيةأكثر مصادر الميكروويف استقرارًا يتم تحقيقها الآن في الأنظمة البصرية من خلال استخدام تقسيم التردد البصري (OFD). أساسي لعملية الانقسام هو مشط التردد البصري، الذي ينقل بشكل متماسك الاستقرار النسبي للمراجع المستقرة عند الترددات البصرية إلى معدل تكرار المشط عند الترددات الراديوية. في تقسيم التردد، يتم تقليل ضوضاء الطور للإشارة الناتجة بمقدار مربع نسبة التقسيم بالنسبة لتلك الخاصة بالإشارة المدخلة. وقد تم الإبلاغ عن عامل تقليل ضوضاء الطور يصل إلى 86 ديسيبل.. ومع ذلك، حتى الآن، فإن الموجات الميكروية الأكثر استقرارًا المستمدة من OFD تعتمد على المراجع البصرية السائبة أو القائمة على الأليافمما يحد من تقدم التطبيقات التي تتطلب ضوضاء طور ميكروويف منخفضة للغاية.
تمت دراسة المذبذبات الميكروويف الضوئية المتكاملة بشكل مكثف نظرًا لإمكاناتها في التصغير وتصنيع الكميات الكبيرة. وقد أظهرت مجموعة متنوعة من الأساليب الضوئية القدرة على توليد إشارات ميكروويف و/أو إشارات مموجة مستقرة، مثل الكشف غير المتجانس المباشر لزوج من الليزر.ليزر بريلوان المستحث القائم على الميكروكافتيوأطياف التردد المستندة إلى الميكرو ريزوناتور السوليتوني (الميكروكومب). بالنسبة لمذبذبات الفوتونات الصلبة، فإن الاستقرار النسبي محدود في النهاية بواسطة ضوضاء التغير الحراري (TRN)، التي تقل مع زيادة حجم وضعية التجويف.لقد تم إظهار تجاويف متكاملة بحجم وضع كبير بطول متر ومعدل جودة (Q) يزيد عن 100 مليون مؤخرًا.لتقليل عرض خط الليزر إلى مستوى الهرتز مع الحفاظ على حجم الشريحة على مقياس السنتيمتر. ومع ذلك، فإن زيادة حجم وضع التجويف تقلل من قوة غير الخطية الفعالة داخل التجويف وتزيد من طاقة التشغيل لاهتزاز بريلوان واهتزاز كير. يشكل هذا التوازن تحديًا صعبًا لتجويف متكامل لتحقيق الاستقرار العالي والاهتزاز غير الخطي في نفس الوقت لتوليد الموجات الدقيقة. بالنسبة للاهتزازات المتكاملة مع الدوائر الضوئية، تم الإبلاغ عن أفضل ضوضاء طور عند تردد إزاحة 10 كيلو هرتز في منصة السيليكون النيتريد، حيث تصل إلىعندما يتم تعديل تردد الحامل إلى 10 جيجاهرتز (المراجع 21، 26). هذا أعلى بكثير من تردد المذبذبات الضخمة. يمكن أن تحل النسخة الضوئية المتكاملة من OFD هذه المعضلة بشكل أساسي، حيث تسمح باستخدام رنانين متكاملين متميزين في OFD لأغراض مختلفة: رنان بحجم وضع كبير لتوفير استقرار جزئي استثنائي ورنان ميكروي لتوليد ميكروكومبات السوليتون. معًا، يمكن أن توفر تحسينات كبيرة في استقرار المذبذبات المتكاملة.
هنا، نحرز تقدمًا ملحوظًا في حالة الفن في المذبذبات الضوئية الميكروويفية والموجات المليمترية من خلال عرض تقنية OFD المتكاملة على شريحة. يعتمد عرضنا على منصة فوتونية متكاملة من السيليكون النيتريد متوافقة مع أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة التكميلية.ويصل إلى أدنى مستوى قياسي من ضوضاء الطور لأنظمة المذبذبات القائمة على الفوتونيات المتكاملة في نطاق المليمتر. يستمد المذبذب استقراره من زوج من الليزر شبه الموصل التجارية التي تم تثبيتها ترددياً إلى تجويف مرجعي قائم على الموجة المسطحة. (الشكل 1). يتم تقليل فرق التردد بين الليزرين المرجعيين إلى تردد الموجات المليمترية باستخدام طريقة القفل ذات النقاطتين.باستخدام ميكروكومب سوليتون متكاملبينما يتم تثبيت الميكروكومب السوليتوني إلى
الشكل 1| توضيح مفهومي لنظام OFD المتكامل. أ، مخطط مبسط. زوج من الليزر الذي يتم تثبيته على تجويف مرجعي متكامل يعمل كمرجع بصري ويوفر استقرار الطور لمذبذب الموجات المليمترية والموجات الدقيقة. يتم بعد ذلك تقسيم الفرق النسبي في التردد بين الليزرين المرجعيين إلى معدل التكرار لميكروكومب السوليتون من خلال التحكم في التغذية الراجعة لتردد الليزر الذي يضخ السوليتون. يتم توليد موجة مليمترية عالية الطاقة ومنخفضة الضوضاء عن طريق الكشف الضوئي لميكروكومب السوليتون OFD على جهاز الكشف CC-MUTC. يمكن تقسيم الموجة المليمترية بشكل أكبر.
من الموجات المليمترية إلى الموجات الميكروية من خلال تقسيم التردد مع نسبة تقسيم قدرها. PLL، حلقة قفل الطور. ب، صورة لعناصر حاسمة في OFD المتكامل. من اليسار إلى اليمين: تجويف موجي بطول 4 م من SiN كمرجع بصري، شريحة SiN تحتوي على عشرات من الميكرو رنينات الحلقية المرتبطة بالموجات الضوئية لتوليد ميكروكومب السوليتون، جهاز استشعار ضوئي CC-MUTC ملتصق بشريحة لتوليد الموجات المليمترية وعملة من فئة 1 سنت أمريكي للمقارنة في الحجم. تُظهر الصور المجهرية لرنين حلقي من SiN وجهاز استشعار ضوئي CC-MUTC على اليمين. قضبان القياس، (الأعلى والأسفل اليسار)، (أسفل اليمين). لقد تم إظهار المراجع البصرية المعتمدة على الألياف الطويلة مؤخرًا جدًالم يتم الإبلاغ عن دمجه مع المراجع البصرية المتكاملة. الأبعاد الصغيرة للميكروكافيتات تسمح لمعدلات تكرار السوليتون بالوصول إلى ترددات المليمتر وTHz.والتي لها تطبيقات ناشئة في اتصالات 5G/6G اللاسلكيةعلم الفلك الراديوي والرادار تُنتَج الموجات المليمترية ذات الضوضاء المنخفضة والطاقة العالية من خلال خلط فوتوني لمجموعة الميكروكومب OFD السوليتونية على جهاز كشف فوتوني معدل معتمد على الشحن ومربوط بشريحة عالية السرعة (CC-MUTC PD).لمعالجة تحدي توصيف ضوضاء الطور للإشارات عالية التردد، تم تطوير طريقة جديدة لتقسيم التردد من الموجات المليمترية إلى الموجات الميكروية (mmFD) لقياس ضوضاء الطور للموجات المليمترية كهربائيًا مع إخراج إشارة ميكروية مساعدة ذات ضوضاء منخفضة. تصل الإشارة الناتجة بتردد 100 جيجاهرتز إلى ضوضاء طور قدرهاعند تردد إزاحة 10 كيلوهرتز (ما يعادللتردد حاملة يبلغ 10 جيجاهرتز)، وهو أفضل بأكثر من مرتبتين من حيث الحجم مقارنة بالمذبذبات الضوئية الميكروويف والموجات المليمترية القائمة على السيليكون النيتريد.يمكن الحفاظ على الضوضاء الطورية المنخفضة للغاية أثناء دفع طاقة الخرج في نطاق المليمتر إلىالذي يقل بمقدار 1 ديسيبل فقط عن الرقم القياسي للمذبذبات الضوئية عند 100 جيجاهرتز (المرجع 36). تُظهر الصورة 1b صورًا لحجرة مرجعية قائمة على الرقاقة، ومرايا ميكروية تولد السوليتون، وكاشف CC-MUTC PD.
المرجع البصري المتكامل في عرضنا هو تجويف لفة بطول 4 أمتار مصنوع من SiN رقيق الفيلم.يحتوي التجويف على مقطع عرضي منعرضارتفاع، نطاق طيفي حر (FSR) يبلغ حوالي 50 ميجاهرتز، عامل جودة جوهري منوعامل جودة محمل بـفيتوفر تجويف الملف استقرارًا استثنائيًا لليزر المرجعي بسبب حجم الوضع الكبير وعامل الجودة العالي.. هنا، يتم تثبيت تردد ليزرين قابلين للتعديل على نطاق واسع (NewFocus Velocity TLB-6700، المشار إليهما بالليزر A و B) إلى تجويف الملف من خلال تقنية قفل باوند-دريفر-هول مع عرض النطاق الخدمي 90 كيلوهرتز. يمكن ضبط أطوال موجاتهم بين و يوفر فصل تردد يصل إلى 6 تيراهرتز لـ OFD. المخطط التوضيحي للإعداد موضح في الشكل 2.
يتم توليد الميكروكومب السوليتوني في نظام متكامل، مرتبط بقناة الموجات.رنين الحلقة الدقيقةمع مقطع عرضي منعرضارتفاع. يحتوي الرنان الحلقي على نصف قطرنسبة تردد السطح (FSR) تبلغ 100 جيجاهرتز وعامل جودة داخلي (محمل) من ( ). يتم اشتقاق ليزر الضخ من الجانب الجانبي الأول للتعديل من ليزر عاكس براغ الممتد شبه الموصل ذو الضوضاء المنخفضة للغاية من شركة مورتون فوتونيكس.ويمكن ضبط تردد الحزمة الجانبية بسرعة بواسطة مذبذب يتحكم فيه الجهد (VCO). وهذا يسمح بتوليد سوليطون واحد من خلال تنفيذ مسح ترددي سريع لليزر المضخة.بالإضافة إلى التحكم السريع في سيرفو معدل تكرار السوليتون عن طريق ضبطيظهر الطيف البصري لميكروكومبات السوليتون في الشكل 3a، والذي له عرض نطاق 3 ديسيبل يبلغ 4.6 تيراهرتز. كما تم رسم طيف الليزر المرجعي في نفس الشكل.
يتم تنفيذ نظام OFD بطريقة القفل ذات النقاطتينيتم خلط الليزرين المرجعيين مع الميكروكومب السوليتوني على اثنين من الثنائيات الضوئية المنفصلة لإنشاء نغمات ضرب بين الليزرين المرجعيين وأقرب خطوط الكومب. ترددات نغمات الضرب هي و ، حيث هو معدل تكرار السوليتون،تردد ليزر الضخ وهل أرقام خطوط الجمع نسبية إلى رقم خط المضخة. ثم يتم طرح هذين النبضين على خلاط كهربائي للحصول على الفرق في التردد والطور بين المراجع البصرية وأوقات معدل التكرار:، حيث هو نسبة القسمة. التردد ثم يتم تقسيمه إلكترونيًا على خمسة ويتم قفله في الطور مع مذبذب محلي منخفض التردد (LO، ) من خلال التعليقات
الشكل 2 | إعداد التجربة. يتم إنشاء زوج من الليزر المرجعي من خلال تثبيت ترددات الليزر A و B على تجويف مرجعي من نوع SiN coil waveguide، الذي يتم التحكم في درجة حرارته بواسطة مبرد حراري كهربائي (TEC). يتم توليد ميكروكومب سوليتون في رنانة ميكرو متكاملة من نوع SiN. الليزر المضخ هو أول جانب تردد من ليزر مستمر الموجة معدل، ويمكن ضبط تردد الجانب بسرعة بواسطة VCO. لتنفيذ قفل نقطتين لـ OFD، يتم خلط الخط المنسوج Oth (الليزر المضخ) مع الليزر المرجعي A، بينماخط الجمع يتم مزجه ضوئيًا مع الليزر المرجعي. ثم يتم طرح التيارين الضوئيين على جهاز خلط كهربائي للحصول على فرق الطور بين الليزر المرجعي وأضعاف معدل تكرار السوليتون، والذي يُستخدم بعد ذلك للتحكم في معدل تكرار السوليتون عن طريق التحكم في تردد ليزر المضخة. ضوضاء الطور لليزرات المرجعية و
يمكن قياس معدل تكرار السوليتون في المجال البصري باستخدام تداخلية ذاتية غير متجانسة مزدوجة النغمة مؤجلة. يتم توليد موجات ميليمترية عالية الطاقة ومنخفضة الضوضاء من خلال اكتشاف مجاميع السوليتون الدقيقة على جهاز الكشف CC-MUTC. لتوصيف ضوضاء الطور لموجات المليمتر، يتم تنفيذ تقسيم تردد من موجات المليمتر إلى الميكروويف لتثبيت مولد التردد المتذبذب (VCO) بتردد 20 جيجاهرتز على موجة المليمتر بتردد 100 جيجاهرتز، ويمكن قياس ضوضاء الطور لمولد التردد المتذبذب مباشرة بواسطة محلل ضوضاء الطور (PNA). كما تم استخدام مضخمات الألياف المشوبة باليربيوم (EDFAs)، ومتحكمات الاستقطاب (PCs)، ومعدلات الطور (PMs)، ومعدل أحادي الجانب (SSB-SC)، ومرشحات تمرير النطاق (BPFs)، ومرشحات شبكة براغ للألياف (FBG)، ومشكل الموجات خطًا بخط (WS)، ومعدل الصوت البصري (AOM)، ومضخمات كهربائية (Amps) ومقياس مصدر (SM) أيضًا في التجربة. التحكم في تردد VCO. إن ضبط تردد VCO يضبط مباشرة تردد ليزر المضخة، الذي بدوره يضبط معدل تكرار السوليتون من خلال تأثيرات انزياح التردد الذاتي لرمان وتأثيرات ارتداد الموجة المشتتة.داخل نطاق تردد السيرفو، يتم تقسيم تردد وطور المراجع البصرية إلى معدل تكرار السوليتون،. نظرًا لأن تردد المذبذب المحلي في نطاق العشرات من ميغاهيرتز وكون ضوضاء الطور الخاصة به غير ملحوظة مقارنة بالمراجع البصرية، فإن ضوضاء الطور لمعدل تكرار السوليتون ( ) ضمن نطاق قفل السيرفو يتم تحديده بواسطة المراجع البصرية .
لاختبار OFD، يتم قياس ضوضاء الطور لمعدل تكرار سوليتون OFD لنسب القسمة منو 60. في القياس، يتم الاحتفاظ بليزر مرجعي واحد فيبينما يتم ضبط الليزر المرجعي الآخر على طول موجي هوأوقات الميكرو ريزوناتور FSR بعيدًا عن الليزر المرجعي الأول (الشكل 3أ). يتم قياس ضوضاء الطور لليزر المرجعي وميكروكومب السوليتون في المجال البصري باستخدام تداخلية ذاتية غير متزامنة مزدوجة النغمة.في هذه الطريقة، يمكن إرسال ليزرين بترددات مختلفة إلى مقياس تداخل ماخ-زايندر غير المتوازن مع مغير بصري صوتي في أحد الأذرع (الشكل 2). ثم يتم فصل الليزرين بواسطة فلتر شبكة براج الألياف ويتم الكشف عنهما على ثنائي ضوئيين مختلفين. يمكن استخراج التردد الفوري وتقلبات الطور لهذين الليزرين من إشارات كاشف الضوء باستخدام تحويل هيلبرت. باستخدام هذه الطريقة، يتم قياس ضوضاء الطور لاختلاف الطور بين الليزرين المرجعيين المستقرين ويتم عرضها في الشكل 3ب. في هذا العمل، لا تصل ضوضاء الطور لليزرين المرجعيين إلى حد ضوضاء الانكسار الحراري للفراغ المرجعي.ومن المحتمل أن تكون محدودة بالضوضاء البيئية الصوتية والميكانيكية. لقياس ضوضاء طور معدل تكرار السوليتون، يتم استخدام زوج من خطوط المشط مع أرقام المشط و يتم اختيارها بواسطة شكل موجة قابل للبرمجة خطًا بخط وإرسالها إلى التداخل. الطور يتم قياس ضوضاء اختلافات الطور الخاصة بهم، وقسمتها علىيولد ضوضاء الطور لمعدل تكرار السوليتون.
تظهر نتائج قياس ضوضاء الطور في الشكل 3c و 3d. يتم تحقيق أفضل ضوضاء طور لمعدل تكرار السوليتون مع نسبة تقسيم تبلغ 60، كما هو موضح في الشكل 3c. للمقارنة، يتم أيضًا عرض ضوضاء الطور لليزر المرجعي ومعدل تكرار السوليتون الحر بدون OFD في الشكل. تحت تردد إزاحة 100 كيلوهرتز، تكون ضوضاء الطور للسوليتون OFD تقريبًا، والذي هو 36 ديسيبل أقل من ليزر المرجع ويتطابق بشكل جيد مع الضوضاء الطورية المتوقعة لـ OFD (ضوضاء ليزر المرجع – 36 ديسيبل). من حوالي 148 كيلو هرتز (نطاق تردد سيرفو OFD) إلى تردد إزاحة 600 كيلو هرتز، تكون الضوضاء الطورية لسوليتون OFD مهيمنة بواسطة مضخة السيرفو لدائرة قفل OFD. فوق تردد إزاحة 600 كيلو هرتز، تتبع الضوضاء الطورية تلك الخاصة بالسوليتون الحر، والتي من المحتمل أن تتأثر بضوضاء ليزر المضخة.تم استخراج ضوضاء الطور عند ترددات الإزاحة 1 و 10 كيلو هرتز لجميع نسب التقسيم ورسمها في الشكل 3d. تتبع ضوضاء الطور قاعدة، التحقق من OFD.
الضوضاء الطورية المقاسة لمعدل تكرار سوليتون OFD منخفضة بالنسبة لمذبذب الميكروويف أو الموجات المليمترية. للمقارنة، يتم تقديم ضوضاء الطور لمولد الإشارة Keysight E8257D PSG (النموذج القياسي) عند 1 و 10 كيلوهرتز في الشكل 3d بعد تعديل تردد الحامل إلى 100 غيغاهرتز. عند تردد إزاحة 10 كيلوهرتز، يحقق مذبذب OFD المتكامل لدينا ضوضاء طور قدرها، وهو أفضل بمقدار 20 ديسيبل من مولد إشارات PSG القياسي. عند المقارنة مع مذبذبات الميكروكومب المتكاملة التي يتم تثبيتها على ألياف بصرية طويلةيتطابق المذبذب المتكامل لدينا مع ضوضاء الطور عند تردد إزاحة 10 كيلوهرتز ويوفر ضوضاء طور أفضل تحت تردد إزاحة 5 كيلوهرتز (تردد الحامل مقاسًا إلى 100 جيجاهرتز). نحن نعتقد أن هذا بسبب أن شريحة الفوتونيات لدينا صلبة وصغيرة مقارنةً بمراجع الألياف وبالتالي تتأثر أقل بالضوضاء البيئية مثل الاهتزاز والصدمات. هذا يبرز قدرة وإمكانات المذبذات الفوتونية المتكاملة.
الشكل 3|توصيف OFD. أ، الأطياف البصرية لميكروكومبات السوليتون (أزرق) والليزر المرجعي (Ref.) المرتبطة بنسب تقسيم مختلفة. ب، ضوضاء الطور للاختلاف في التردد بين الليزرين المرجعيين المثبتين في تجويف الملف (برتقالي) والليزرين في حالة التشغيل الحر (أزرق). الخط المنقط الأسود يظهر حد الضوضاء الانكسارية الحرارية (TRN) لتجويف المرجع. ج، ضوضاء الطور لليزر المرجع (برتقالي)، معدل التكرار لـ ميكروكومبز السوليتون الحرة (أزرق فاتح)، معدل تكرار السوليتون بعد OFD مع نسبة تقسيم 60 (أزرق) ومعدل التكرار المتوقع مع نسبة تقسيم 60 (أحمر). د، ضوضاء طور معدل تكرار السوليتون عند ترددات إزاحة 1 و10 كيلوهرتز مقابل نسبة تقسيم OFD. يتم عرض توقعات OFD بخطوط منقطة ملونة.
عند المقارنة مع المذبذبات الميكروويف والموجات المليمترية الضوئية المتكاملة، يظهر مذبذبنا أداءً استثنائيًا: عند تردد إزاحة 10 كيلوهرتز، يكون ضجيج الطور لديه أفضل بأكثر من مرتبتين من حيث الحجم مقارنةً بعروض أخرى، بما في ذلك مذبذبات الميكروكومب السوليتون من SiN التي تعمل بحرية.وأحدث أغنية ليزر واحدةاستثناء ملحوظ هو العمل الأخير لكوديلين وآخرون.حيث تم تحقيق ضوضاء طور أفضل بمقدار 6 ديسيبل من خلال تثبيت مذبذب ميكروكومب سوليتون بتردد 20 جيجاهرتز إلى تجويف فابري-بيرو المرجعي المصنوع ميكروياً.
ثم يتم إرسال ميكروكومب السوليتون OFD إلى جهاز كشف ضوئي CC-MUTC ملتصق بشريحة عالية القدرة وعالية السرعة لتوليد الموجات المليمترية. مشابه لجهاز كشف ضوئي يعمل بحامل واحد.يعتمد نقل الحامل في PD CC-MUTC بشكل أساسي على الإلكترونات السريعة التي توفر سرعة عالية وتقلل من تأثيرات التشبع بسبب حجب الشحنة السطحية. يتم تعزيز قدرة التعامل مع الطاقة بشكل أكبر من خلال ربط PD بشريحة مقلوبة إلى دليل موجي مسطح مطلي بالذهب على قاعدة من نيتريد الألمنيوم لتكون بمثابة مبرد.. تم استخدام PD في هذا العمل وهو 8 – -قطر CC-MUTC PD معالاستجابة عندطول الموجة وعرض النطاق الترددي 3 ديسيبل يبلغ 86 جيجاهرتز. تم وصف تفاصيل جهاز الكشف CC-MUTC في مكان آخر.بينما يكون توصيف الطاقة للموجات المليمترية الناتجة بسيطًا، فإن قياس ضوضاء الطور عند 100 جيجاهرتز ليس بالأمر السهل حيث تتجاوز الترددات نطاق تردد معظم أجهزة تحليل ضوضاء الطور. إحدى الطرق هي بناء مذبذين متطابقين ومستقلين وخلط التردد لقياس ضوضاء الطور. ومع ذلك، فإن هذا غير ممكن بالنسبة لنا بسبب قيود موارد المختبر. بدلاً من ذلك، فإن طريقة جديدة لتقسيم التردد من الموجات المليمترية إلى الموجات الدقيقة هي تم تطويره لتقسيم نطاق 100 جيجاهرتز من الموجات المليمترية إلى 20 جيجاهرتز من الموجات الدقيقة بشكل متماسك، والتي يمكن قياسها مباشرة على محلل ضوضاء الطور (الشكل 4أ).
في هذا mmFD، يتم إرسال إشارة 100 جيجاهرتز mmWave وإشارة VCO بتردد 19.7 جيجاهرتز إلى خلاط ترددات راديوية (RF) توافقي (Pacific mmWave، رقم الطراز WM/MD4A)، والذي ينشئ توافقيات أعلى لتردد VCO لتمزج مع mmWave. يقوم الخلاط بإخراج الفرق في التردد بين mmWave والتوافقيات الخامسة لتردد VCO: و من المقرر أن تكون حواليثم يتم قفل الطور على مذبذب محلي مستقر ( ) من خلال التحكم في التغذية الراجعة لتردد VCO. هذا يثبت التردد والطور لـ VCO بما يتماشى مع الموجات المليمترية ضمن نطاق قفل السيرفو، كما تم قياس الطيف الكهربائي وضوضاء الطور لمولد التردد المتغير (VCO) مباشرة على محلل ضوضاء الطور، ويتم تقديمها في الشكل 4b وc. عرض نطاق حلقة السيرفو mmFD هو 150 كيلوهرتز. يمكن تقليص ضوضاء الطور لمولد التردد المتغير 19.7 غيغاهرتز إلى 100 غيغاهرتز لتمثيل الحد الأعلى لضوضاء الطور في الموجات المليمترية. للمقارنة، تم رسم ضوضاء الطور لليزر المرجعي ومعدل تكرار السوليتون OFD المقاس في المجال البصري باستخدام طريقة التداخل الذاتي المتأخر ثنائي النغمة أيضًا. بين تردد الإزاحة من 100 هرتز إلى 100 كيلوهرتز، تتطابق ضوضاء الطور لمعدل تكرار السوليتون والموجات المليمترية المولدة بشكل جيد مع بعضها البعض. هذا يثبت صحة طريقة mmFD ويشير إلى أن استقرار الطور لمعدل تكرار السوليتون يتم نقله بشكل جيد إلى الموجات المليمترية. أدنى من تردد الإزاحة 100 هرتز، تعاني القياسات في المجال البصري من انحراف الطور.
الشكل 4 | توصيف المجال الكهربائي لموجات المليمتر التي تم توليدها من OFD المدمج. أ، مخطط مبسط لتقسيم التردد. يتم تقسيم موجة المليمتر 100 غيغاهرتز التي تم توليدها بواسطة OFD المدمج إلى 20 غيغاهرتز لتوصيف ضوضاء الطور. ب، طيف كهربائي نموذجي لمولد الترددات المتغيرة بعد. تم توليد الموجات المليمترية باستخدام سوليتون OFD (باللون الأحمر) أو سوليتون حر التشغيل (باللون الأسود). لمقارنة الطيفين، تم محاذاة قمم الرسمين في الشكل. RBW، عرض النطاق الترددي للدقة. ج، قياس ضوضاء الطور في الكهربائية
النطاق. يتم قياس ضوضاء الطور لمولد التردد المتغير (VCO) بعد mmFD مباشرة بواسطة محلل ضوضاء الطور (بالخط الأخضر المتقطع). يؤدي توسيع هذه الإشارة إلى تردد حامل يبلغ 100 جيجاهرتز إلى الحصول على الحد الأعلى لضوضاء الطور لتردد 100 جيجاهرتز mmWave (باللون الأحمر). للمقارنة، يتم عرض ضوضاء الطور لليزر المرجعي (باللون البرتقالي) ومعدل تكرار السوليتون OFD (باللون الأزرق) المقاسة في النطاق البصري. د، تم قياس طاقة mmWave مقابل تيار فوتوكوندكتور PD عند انحياز -2 فولت. تم تسجيل أقصى طاقة mmWave تبلغ 9 ديسيبل. هـ، تم قياس ضوضاء الطور لـ mmWave عند ترددات إزاحة 1 و10 كيلوهرتز مقابل تيار فوتوكوندكتور PD. في الألياف الضوئية بطول 200 متر في التداخل، وبالتالي تنتج ضوضاء الطور أعلى من تلك التي تم قياسها بالطريقة الكهربائية. أخيرًا، يتم قياس ضوضاء الطور في الموجات المليمترية والطاقة مقابل تيار فوتو كاشف MUTC من 1 إلى 18.3 مللي أمبير عند جهد -2 فولت من خلال تغيير قوة الإضاءة الضوئية على الكاشف. على الرغم من أن الطاقة في الموجات المليمترية تزداد مع تيار الفوتو (الشكل 4د)، إلا أن ضوضاء الطور في الموجات المليمترية تبقى تقريبًا كما هي لجميع تيارات الفوتو المختلفة (الشكل 4هـ). وهذا يشير إلى أنه يمكن تحقيق ضوضاء طور منخفضة وطاقة عالية في نفس الوقت. الطاقة المحققة البالغة 9 ديسيبل ميلي واط هي واحدة من أعلى الطاقات التي تم الإبلاغ عنها على الإطلاق عند تردد 100 جيجاهرتز لمذبذبات ضوئية..
ملخص
باختصار، لقد أظهرنا توليد موجات ميليمترية وموجات ميكروية منخفضة الضوضاء باستخدام OFD المدمجة. الضوضاء الطورية المحققة محدودة أساسًا بالضوضاء التقنية في الليزر المرجعي ويمكن تحسينها في المستقبل إلى حد TRN للفراغ المرجعي من خلال تعبئة الفراغ المرجعي لعزل الضوضاء البيئية.يمكن الاستفادة من إلغاء الضوضاء في الوضع المشترك في تلك المرحلة لتقليل الضوضاء النسبية بين الليزرين المرجعيين إلى ما دون حد TRN. بالإضافة إلى ذلك، تم إظهار تطورات مثيرة في تجاويف الفجوة الفراغية باستخدام المرايا المصنوعة بتقنية الميكروفابريكيشن لتجاوز حد TRN لتجاويف الموجات المسطحة المرجعية.تعتبر ليزر بريلوان المستحثة على الرقائق مفيدة في تقليل ضوضاء الطور للمراجع البصرية عند ترددات إزاحة عالية.نسبة التقسيم الموضحة في هذا العمل محدودة بنطاق ترددات الليزر القابل للتعديل لدينا بدلاً من النطاق البصري لميكروكومب السوليتون. من الممكن استخدام OFD المعتمد على الميكروكومب الذي يستفيد من نطاق بصري يصل إلى عشرات تيراهرتز أو حتى نطاق الأوكتاف من خلال استخدام الميكرو ريزوناتورات المصممة هندسياً.. علاوة على ذلك، فإن التطورات الأخيرة في دمج التكنولوجيا العاليةالرنانات ومعدلات الإجهاد البصريسيمكن التحكم في التغذية الراجعة لتردد الميكرو ريزوناتور لـ OFD، مما يمكن أن يزيد بشكل كبير من عرض نطاق سيرفو OFD. لذلك، على الرغم من أن عرضنا قد حسّن من ضوضاء الطور لمذبذبات الميكروويف والموجات المليمترية الضوئية المدمجة بأكثر من 20 ديسيبل، إلا أنه من الممكن التقدم في ضوضاء الطور بعدة أوامر من حيث الحجم في المستقبل، مما يسمح للمذبذبات الضوئية المدمجة، في نطاق تردد انحراف معين، على سبيل المثال، 10 كيلوهرتز، مطابقة بعض من أفضل مذبذبات OFD البصرية بالجملةأخيرًا، هناك إمكانية لتكامل كامل لمذبذبات OFD من خلال التكامل غير المتجانس لفراغات مرجعية من SiN والميكرو ريزوناتور مع مكونات أخرى.على سبيل المثال، ليزر أشباه الموصلات، ومضخمات الضوء، وثنائيات الضوئيات. في مذبذب OFD، من الممكن استبدال الليزرات التجارية الضخمة بأجهزة ليزر مدمجة للمراجع الضوئية دون التأثير على أداء ضوضاء الطور، لأن بعض الليزرات المدمجة التي تم تطويرها حديثًا أظهرت تماسكًا أفضل من الليزرات القابلة للتعديل التجارية المستخدمة في تجاربنا.تم إظهار التكامل الهجين والتكامل غير المتجانس لليزر ومجموعات السوليتون الدقيقة مؤخرًا، ونظرًا لأن كفاءة تحويل السوليتون غير الخطية قد تجاوزتمع طريقة إعادة تدوير مضخة تم تطويرها حديثًاقد يكون من الممكن القضاء على المعززات البصرية المستخدمة في هذا العرض التوضيحي لـ OFD في المستقبل.
المحتوى عبر الإنترنت
أي طرق، مراجع إضافية، ملخصات تقارير Nature Portfolio، بيانات المصدر، بيانات موسعة، معلومات تكميلية، شكر وتقدير، معلومات مراجعة الأقران؛ تفاصيل مساهمات المؤلفين والمصالح المتنافسة؛ وبيانات توفر البيانات والرموز متاحة علىhttps://doi.org/10.1038/s41586-024-07057-0.
كوينيغ، س. وآخرون. نظام اتصالات لاسلكي تحت تيراهيرتز بمعدل بيانات مرتفع. نات. فوتونيكس 7، 977-981 (2013).
غيلفي، ب. وآخرون. نظام رادار متماسك يعتمد بالكامل على الفوتونيات. ناتشر 507، 341-345 (2014).
لونغ، د. وأولابي، ف. رادار الميكروويف والاستشعار عن بعد بالأشعة تحت الحمراء (أرتك، 2015).
فورتييه، ت. م. وآخرون. توليد ميكروويف فائق الاستقرار عبر تقسيم التردد البصري. نات. فوتونيكس 5، 425-429 (2011).
رابابورت، ت. س. وآخرون. الاتصالات اللاسلكية والتطبيقات فوق 100 غيغاهرتز: الفرص والتحديات للجيل السادس وما بعده. IEEE Access 7، 78729-78757 (2019).
كليفيتي، سي. وآخرون. تجربة VLBI باستخدام ساعة ذرية عن بُعد عبر رابط ألياف متماسكة. تقارير علمية 7، 40992 (2017).
شيا، إكس. وآخرون. تحسين كفاءة تحويل الطاقة في الكاشفات الضوئية عالية الأداء من خلال الربط العكسي على الماس. أوبتيكا 1، 429-435 (2014).
سون، ك. وبلينغ، أ. كاشفات ضوئية عالية السرعة لفيزياء الميكروويف. العلوم التطبيقية 9، 623 (2019).
مورتون، ب. أ. ومورتون، م. ج. ليزر هجين عالي القدرة ومنخفض الضوضاء للغاية لتقنية الميكروويف والفوتونيات البصرية. مجلة تكنولوجيا الضوء 36، 5048-5057 (2018).
كوديلين، إ. وآخرون. مذبذب ميكروويف منخفض الضوضاء قائم على رقاقة ضوئية. الطبيعةhttps://doi. org/10.1038/s41586-024-07058-z (2024).
إشيباشي، ت.، كوداما، س.، شيميزو، ن. س. ن. وفوروتا، ت. ف. ت. استجابة عالية السرعة لثنائيات ضوئية ذات حامل واحد. مجلة اليابان للفيزياء التطبيقية 36، 6263 (1997).
بيلينغ، أ.، شيا، إكس. وكامبل، ج. سي. ثنائيات ضوئية عالية القدرة وعالية الخطية. أوبتيكا 3، 328-338 (2016).
لي، ق. وآخرون. ثنائي الفينيل المربوط بتقنية الفليب تشيب عالي القدرة مع عرض نطاق 110 جيجاهرتز. مجلة تكنولوجيا الضوء 34، 2139-2144 (2016).
Guo، ج. وآخرون. ليزر قائم على الرقاقة مع عرض خط متكامل 1 هيرتز. Sci. Adv. 8، eabp9006 (2022).
لي، هـ. وآخرون. رنان ويدج عالي الجودة محفور كيميائيًا على شريحة سيليكون. نات. فوتون. 6، 369-373 (2012).
سبنسر، د. ت. وآخرون. جهاز توليد ترددات بصرية باستخدام الفوتونيات المتكاملة. ناتشر 557، 81-85 (2018).
ليو، ج. وآخرون. التحكم الكهروضغطي الأحادي في ميكروكومبات السوليتون. الطبيعة 583، 385-390 (2020).
وانغ، ج.، ليو، ك.، هارينغتون، م. و.، رودي، ر. كيو. وبلومنتال، د. ج. موصل ميكرو ريزوناتور بصري من نيتريد السيليكون للتحكم البصري. أوبت. إكسبريس 30، 31816-31827 (2022).
مورتون، ب. أ. وآخرون. ليزر متكامل قابل للتعديل (ICTL) مع ضبط عرض نطاق ترددي فائق وعرض خط لورنتزي أقل من 100 هرتز. ج. تكنولوجيا الضوء. 40، 1802-1809 (2022).
ملاحظة الناشر: تظل شركة سبرينغر ناتشر محايدة فيما يتعلق بالمطالبات القضائية في الخرائط المنشورة والانتماءات المؤسسية.
الوصول المفتوح. هذه المقالة مرخصة بموجب رخصة المشاع الإبداعي للاستخدام والتوزيع والتكيف وإعادة الإنتاج في أي وسيلة أو صيغة، طالما أنك تعطي الائتمان المناسب للمؤلفين الأصليين والمصدر، وتوفر رابطًا لرخصة المشاع الإبداعي، وتوضح ما إذا تم إجراء تغييرات. الصور أو المواد الأخرى من طرف ثالث في هذه المقالة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي للمقالة، ما لم يُشار إلى خلاف ذلك في سطر الائتمان للمادة. إذا لم تكن المادة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي للمقالة وكان استخدامك المقصود غير مسموح به بموجب اللوائح القانونية أو يتجاوز الاستخدام المسموح به، ستحتاج إلى الحصول على إذن مباشرة من صاحب حقوق الطبع والنشر. لعرض نسخة من هذه الرخصة، قم بزيارة http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
(ج) المؤلفون 2024
الشيفرات التي تدعم نتائج هذه الدراسة متاحة من المؤلفين المراسلين عند الطلب المعقول.
الشكر والتقدير نشكر م. وودسون و س. استريلا من فريدوم فوتونيكس على تصنيع MUTC PD، وليجنتيك على تصنيع ميكرو ريزوناتور SiN، ك. فاهالا في كالتك على الوصول إلى الفلاتر الضوئية القابلة للتعديل ونشكر بامتنان DARPA GRYPHON (رقم المنحة HROO11-22-2-0008)، ومؤسسة العلوم الوطنية (رقم المنحة 2023775)، ووكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة – الطاقة (رقم المنحة DE-AR0001042). الآراء والاستنتاجات الواردة في
هذا المستند هي آراء المؤلفين ولا ينبغي تفسيرها على أنها تمثل السياسات الرسمية لـ DARPA أو ARPA-E أو الحكومة الأمريكية.
مساهمات المؤلفين صمم X.Y. و S.S. و B.W. و Z.Y. و D.J.B. و S.M.B. و A.B. و P.A.M. التجارب. قام S.S. و B.W. و R.L. و F.T. و S.H. بإجراء قياسات النظام. طور K.L. و M.W.H. و J.W. و D.J.B. و K.D.N. و P.A.M. الليزر المرجعية. صمم J.S.M. و A.B. و صنعوا CC-MUTC PDs. قام S.S. و B.W. و X.Y. و F.T. و S.M.B. و A.B. بتحليل النتائج التجريبية. شارك جميع المؤلفين في إعداد المخطوطة.
المصالح المتنافسة يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح متنافسة.
معلومات إضافية
المعلومات التكميلية النسخة الإلكترونية تحتوي على مواد تكميلية متاحة على https://doi.org/10.1038/s41586-024-07057-0.
يجب توجيه المراسلات وطلبات المواد إلى دانيال ج. بلومنتال أو شو يي.
معلومات مراجعة الأقران تشكر ناتشر المراجعين المجهولين على مساهمتهم في مراجعة الأقران لهذا العمل. تقارير مراجعي الأقران متاحة.
معلومات إعادة الطبع والأذونات متاحة على http://www.nature.com/reprints.
Shuman Sun , Beichen Wang , Kaikai Liu , Mark W. Harrington , Fatemehsadat Tabatabaei , Ruxuan Liu , Jiawei Wang , Samin Hanifi , Jesse S. Morgan , Mandana Jahanbozorgi , Zijiao Yang , Steven M. Bowers¹, Paul A. Morton , Karl D. Nelson , Andreas Beling , Daniel J. Blumenthal
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 . Here we demonstrate a miniaturized optical frequency division system that can potentially transfer the approach to a complementary metal-oxide-semiconductor-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 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 .
Microwave and mmWave with high spectral purity are critical for a wide range of applications , including metrology, navigation and spectroscopy. Owing to the superior fractional frequency stability of reference-cavity stabilized lasers when compared to electrical oscillators , the most stable microwave sources are now achieved in optical systems by using optical frequency division (OFD). Essential to the division process is an optical frequency comb , which coherently transfers the fractional stability of stable references at optical frequencies to the comb repetition rate at radio frequency. In the frequency division, the phase noise of the output signal is reduced by the square of the division ratio relative to that of the input signal. A phase noise reduction factor as large as 86 dB has been reported . However, so far, the most stable microwaves derived from OFD rely on bulk or fibre-based optical references , limiting the progress of applications that demand exceedingly low microwave phase noise.
Integrated photonic microwave oscillators have been studied intensively for their potential of miniaturization and mass-volume fabrication. A variety of photonic approaches have been shown to generate stable microwave and/or mmWave signals, such as direct heterodyne detection of a pair of lasers , microcavity-based stimulated Brillouin lasers and soliton microresonator-based frequency combs (microcombs). For solid-state photonic oscillators, the fractional stability is ultimately limited by thermorefractive noise (TRN), which decreases with the increase of cavity mode volume . Large-mode-volume integrated cavities with metre-scale length and a greater than 100 million quality (Q)-factor have been shown recently to reduce laser linewidth to Hz -level while maintaining chip footprint
at centimetre-scale . However, increasing cavity mode volume reduces the effective intracavity nonlinearity strength and increases the turn-on power for Brillouin and Kerr parametric oscillation. This trade-off poses a difficult challenge for an integrated cavity to simultaneously achieve high stability and nonlinear oscillation for microwave generation. For oscillators integrated with photonic circuits, the best phase noise reported at 10 kHz offset frequency is demonstrated in the SiN photonic platform, reaching when the carrier frequency is scaled to 10 GHz (refs. 21,26). This is many orders of magnitude higher than that of the bulk OFD oscillators. An integrated photonic version of OFD can fundamentally resolve this trade-off, as it allows the use of two distinct integrated resonators in OFD for different purposes: a large-mode-volume resonator to provide exceptional fractional stability and a microresonator for the generation of soliton microcombs. Together, they can provide major improvements to the stability of integrated oscillators.
Here, we notably advance the state of the art in photonic microwave and mmWave oscillators by demonstrating integrated chip-scale OFD. Our demonstration is based on complementary metal-oxide-semiconductor-compatible SiN integrated photonic platform and reaches record-low phase noise for integrated photonic-based mmWave oscillator systems. The oscillator derives its stability from a pair of commercial semiconductor lasers that are frequency stabilized to a planar-waveguide-based reference cavity (Fig. 1). The frequency difference of the two reference lasers is then divided down to mmWave with a two-point locking method using an integrated soliton microcomb . Whereas stabilizing soliton microcombs to
Fig. 1|Conceptual illustration of integrated OFD. 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 and microwave oscillator. The relative frequency difference of the two reference lasers is then divided down to the repetition rate of a soliton microcomb by feedback control of the frequency of the laser that pumps the soliton. A high-power, low-noise mmWave is generated by photodetecting the OFD soliton microcomb on a CC-MUTC PD. The mmWave can be further divided
down to microwave through a mmWave to microwave frequency division with a division ratio of . PLL, phase lock loop. b, Photograph of critical elements in the integrated OFD. From left to right are: a SiN 4 m long coil waveguide cavity as an optical reference, a SiN chip with tens of waveguide-coupled ring microresonators to generate soliton microcombs, a flip-chip bonded CC-MUTC PD for mmWave generation and a US1-cent coin for size comparison. Microscopic pictures of a SiN ring resonator and a CC-MUTC PD are shown on the right. Scale bars, (top and bottom left), (bottom right).
long-fibre-based optical references has been shown very recently , its combination with integrated optical references has not been reported. The small dimension of microcavities allows soliton repetition rates to reach mmWave and THz frequencies , which have emerging applications in 5G/6G wireless communications , radio astronomy and radar . Low-noise, high-power mmWaves are generated by photomixing the OFD soliton microcombs on a high-speed flip-chip bonded charge-compensated modified uni-travelling carrier photodiode (CC-MUTC PD) . To address the challenge of phase noise characterization for high-frequency signals, a new mmWave to microwave frequency division (mmFD) method is developed to measure mmWave phase noise electrically while outputting a low-noise auxiliary microwave signal. The generated 100 GHz signal reaches a phase noise of at 10 kHz offset frequency (equivalent to for 10 GHz carrier frequency), which is more than two orders of magnitude better than previous SiN-based photonic microwave and mmWave oscillators . The ultra-low phase noise can be maintained while pushing the mmWave output power to , which is only 1 dB below the record for photonic oscillators at 100 GHz (ref. 36). Pictures of chip-based reference cavity, soliton-generating microresonators and CC-MUTC PD are shown in Fig. 1b.
The integrated optical reference in our demonstration is a thin-film SiN 4 -metre-long coil cavity . The cavity has a cross-section of width height, a free-spectral-range (FSR) of roughly 50 MHz , an intrinsic quality factor of and a loaded quality factor of at . The coil cavity provides exceptional stability for reference lasers because of its large-mode volume and high-quality factor . Here, two widely tuneable lasers (NewFocus Velocity TLB-6700, referred to as laser A and B) are frequency stabilized to the coil cavity through Pound-Drever-Hall locking technique with a
servo bandwidth of 90 kHz . Their wavelengths can be tuned between and , providing up to 6 THz frequency separation for OFD. The setup schematic is shown in Fig. 2.
The soliton microcomb is generated in an integrated, bus-waveguidecoupled micro-ring resonator with a cross-section of width height. The ring resonator has a radius of , an FSR of 100 GHz and an intrinsic (loaded) quality factor of ( ). The pumplaser of the ring resonator is derived from the first modulation sideband of an ultra-low-noise semiconductor extended distributed Bragg reflector laser from Morton Photonics , and the sideband frequency can be rapidly tuned by a voltage-controlled oscillator(VCO). This allows single soliton generation by implementing rapid frequency sweeping of the pump laser , as well as fast servo control of the soliton repetition rate by tuning the . The optical spectrum of the soliton microcombs is shown in Fig. 3a, which has a 3 dB bandwidth of 4.6 THz . The spectra of reference lasers are also plotted in the same figure.
The OFD is implemented with the two-point locking method . The two reference lasers are photomixed with the soliton microcomb on two separate photodiodes to create beat notes between the reference lasers and their nearest comb lines. The beat note frequencies are and , where is the repetition rate of the soliton, is pump laser frequency and are the comb line numbers relative to the pump line number. These two beat notes are then subtracted on an electrical mixer to yield the frequency and phase difference between the optical references and times of the repetition rate: , where is the division ratio. Frequency is then divided by five electronically and phase locked to a low-frequency local oscillator (LO, ) by feedback
Fig. 2 | Experimental setup. A pair of reference lasers is created by stabilizing frequencies of lasers A and B to a SiN coil waveguide reference cavity, which is temperature controlled by a thermoelectric cooler (TEC). Soliton microcomb is generated in an integrated SiN microresonator. The pumplaser is the first modulation sideband of a modulated continuous wave laser, and the sideband frequency can be rapidly tuned by a VCO. To implement two-point locking for OFD, the Oth comb line (pump laser) is photomixed with reference laser A, while the th comb line is photomixed with reference laser . The two photocurrents are then subtracted on an electrical mixer to yield the phase difference between the reference lasers and times the soliton repetition rate, which is then used to servo control the soliton repetition rate by controlling the frequency of the pump laser. The phase noise of the reference lasers and the
soliton repetition rate can be measured in the optical domain by using dual-tone delayed self-heterodyne interferometry. Low-noise, high-power mmWaves are generated by detecting soliton microcombs on a CC-MUTC PD. To characterize the mmWave phase noise, a mmWave to microwave frequency division is implemented to stabilize a 20 GHz VCO to the 100 GHz mmWave and the phase noise of the VCO can be directly measured by a phase noise analyser (PNA). Erbium-doped fibre amplifiers (EDFAs), polarization controllers (PCs), phase modulators (PMs), single-sideband modulator (SSB-SC), band pass filters (BPFs), fibre-Bragg grating (FBG) filters, line-by-line waveshaper (WS), acoustic-optics modulator (AOM), electrical amplifiers (Amps) and a source meter (SM) are also used in the experiment.
control of the VCO frequency. The tuning of VCO frequency directly tunes the pump laser frequency, which then tunes the soliton repetition rate through Raman self-frequency shift and dispersive wave recoil effects . Within the servo bandwidth, the frequency and phase of the optical references are thus divided down to the soliton repetition rate, . As the local oscillator frequency is in the 10 s MHz range and its phase noise is negligible compared to the optical references, the phase noise of the soliton repetition rate ( ) within the servo locking bandwidth is determined by that of the optical references .
To test the OFD, the phase noise of the OFD soliton repetition rate is measured for division ratios of and 60 . In the measurement, one reference laser is kept at , while the other reference laser is tuned to a wavelength that is times of the microresonator FSR away from the first reference laser (Fig. 3a). The phase noise of the reference lasers and soliton microcombs are measured in the optical domain by using dual-tone delayed self-heterodyne interferometry . In this method, two lasers at different frequencies can be sent into an unbalanced Mach-Zehnder interferometer with an acoustic-optics modulator in one arm (Fig. 2). Then the two lasers are separated by a fibre-Bragg grating filter and detected on two different photodiodes. The instantaneous frequency and phase fluctuations of these two lasers can be extracted from the photodetector signals by using Hilbert transform. Using this method, the phase noise of the phase difference between the two stabilized reference lasers is measured and shown in Fig. 3b. In this work, the phase noise of the reference lasers does not reach the thermal refractive noise limit of the reference cavity and is likely to be limited by environmental acoustic and mechanical noises. For soliton repetition rate phase noise measurement, a pair of comb lines with comb numbers and are selected by a programmable line-by-line waveshaper and sent into the interferometry. The phase
noise of their phase differences is measured, and its division by yields the soliton repetition rate phase noise .
The phase noise measurement results are shown in Fig. 3c,d. The best phase noise for soliton repetition rate is achieved with a division ratio of 60 and is presented in Fig. 3c. For comparison, the phase noises of reference lasers and the repetition rate of free-running soliton without OFD are also shown in the figure. Below 100 kHz offset frequency, the phase noise of the OFD soliton is roughly , which is 36 dB below that of the reference lasers and matches very well with the projected phase noise for OFD (noise of reference lasers – 36 dB ). From roughly 148 kHz (OFD servo bandwidth) to 600 kHz offset frequency, the phase noise of the OFD soliton is dominated by the servo pump of the OFD locking loop. Above 600 kHz offset frequency, the phase noise follows that of the free-running soliton, which is likely to be affected by the noise of the pump laser . Phase noises at 1 and 10 kHz offset frequencies are extracted for all division ratios and are plotted in Fig. 3d. The phase noises follow the rule, validating the OFD.
The measured phase noise for the OFD soliton repetition rate is low for a microwave or mmWave oscillator. For comparison, phase noises of Keysight E8257D PSG signal generator (standard model) at 1 and 10 kHz are given in Fig. 3d after scaling the carrier frequency to 100 GHz . At 10 kHz offset frequency, our integrated OFD oscillator achieves a phase noise of , which is 20 dB better than a standard PSG signal generator. When comparing to integrated microcomb oscillators that are stabilized to long optical fibres , our integrated oscillator matches the phase noise at 10 kHz offset frequency and provides better phase noise below 5 kHz offset frequency (carrier frequency scaled to 100 GHz ). We speculate this is because our photonic chip is rigid and small when compared to fibre references and thus is less affected by environmental noises such as vibration and shock. This showcases the capability and potential of integrated photonic oscillators.
Fig. 3|OFD characterization. a, Optical spectra of soliton microcombs (blue) and reference (Ref.) lasers corresponding to different division ratios.b, Phase noise of the frequency difference between the two reference lasers stabilized to coil cavity (orange) and the two lasers at free running (blue). The black dashed line shows the thermal refractive noise (TRN) limit of the reference cavity. c, Phase noise of reference lasers (orange), the repetition rate of
free-running soliton microcombs (light blue), soliton repetition rate after OFD with a division ratio of 60 (blue) and the projected repetition rate with 60 division ratio (red). d, Soliton repetition rate phase noise at 1 and 10 kHz offset frequencies versus OFD division ratio. The projections of OFD are shown with coloured dashed lines.
When comparing to integrated photonic microwave and mmWave oscillators, our oscillator shows exceptional performance: at 10 kHz offset frequency, its phase noise is more than two orders of magnitude better than other demonstrations, including the free-running SiN soliton microcomb oscillators and the very recent single-laser . A notable exception is the recent work of Kudelin et al. , in which 6 dB better phase noise was achieved by stabilizing a 20 GHz soliton microcomb oscillator to a microfabricated Fabry-Pérot reference cavity.
The OFD soliton microcomb is then sent to a high-power, high-speed flip-chip bonded CC-MUTC PD for mmWave generation. Similar to a uni-travelling carrier PD , the carrier transport in the CC-MUTC PD depends primarily on fast electrons that provide high speed and reduce saturation effects due to space-charge screening. Power handling is further enhanced by flip-chip bonding the PD to a gold-plated coplanar waveguide on an aluminium nitride submount for heat sink. The PD used in this work is an 8 – -diameter CC-MUTC PD with responsivity at wavelength and a 3 dB bandwidth of 86 GHz . Details of the CC-MUTC PD are described elsewhere . Whereas the power characterization of the generated mmWave is straightforward, phase noise measurement at 100 GHz is not trivial as the frequency exceeds the bandwidth of most phase noise analysers. One approach is to build two identical yet independent oscillators and down-mix the frequency for phase noise measurement. However, this is not feasible for us due to the limitation of laboratory resources. Instead, a new mmWave to microwave frequency division method is
developed to coherently divide down the 100 GHz mmWave to 20 GHz microwave, which can then be directly measured on a phase noise analyser (Fig. 4a).
In this mmFD, the generated 100 GHz mmWave and a 19.7 GHz VCO signal are sent to a harmonic radio-frequency (RF) mixer (Pacific mmWave, model number WM/MD4A), which creates higher harmonics of the VCO frequency to mix with the mmWave. The mixer outputs the frequency difference between the mmWave and the fifth harmonics of the VCO frequency: and is set to be around is then phase locked to a stable local oscillator ( ) by feedback control of the VCO frequency. This stabilizes the frequency and phase of the VCO to that of the mmWave within the servo locking bandwidth, as . The electrical spectrum and phase noise of the VCO are then measured directly on the phase noise analyser and are presented in Fig. 4b,c. The bandwidth of the mmFD servo loop is 150 kHz . The phase noise of the 19.7 GHz VCO can be scaled back to 100 GHz to represent the upper bound of the mmWave phase noise. For comparison, the phase noise of reference lasers and the OFD soliton repetition rate measured in the optical domain with dual-tone delayed self-heterodyne interferometry method are also plotted. Between 100 Hz to 100 kHz offset frequency, the phase noise of soliton repetition rate and the generated mmWave match very well with each other. This validates the mmFD method and indicates that the phase stability of the soliton repetition rate is well transferred to the mmWave. Below 100 Hz offset frequency, measurements in the optical domain suffer from phase drift
Fig. 4 | Electrical domain characterization of mmWaves generated from integrated OFD. a, Simplified schematic of frequency division. The 100 GHz mmWave generated by integrated OFD is further divided down to 20 GHz for phase noise characterization.b, Typical electrical spectra of the VCO after . mmWave generated with the OFD soliton (red) or free-running soliton (black). To compare the two spectra, the peaks of the two traces are aligned in the figure. RBW, resolution bandwidth.c, Phase noise measurement in the electrical
domain. Phase noise of the VCO after mmFD is directly measured by the phase noise analyser (dashed green). Scaling this trace to a carrier frequency of 100 GHz yields the phase noise upper bound of the 100 GHz mmWave (red). For comparison, phase noises of reference lasers (orange) and the OFD soliton repetition rate (blue) measured in the optical domain are shown.d, Measured mmWave power versus PD photocurrent at -2 V bias. A maximum mmWave power of 9 dBm is recorded. e, Measured mmWave phase noise at 1 and 10 kHz offset frequencies versus PD photocurrent.
in the 200 m optical fibre in the interferometry and thus yield phase noise higher than that measured with the electrical method.
Finally, the mmWave phase noise and power are measured versus the MUTC PD photocurrent from 1 to 18.3 mA at -2 V bias by varying the illuminating optical power on the PD. Although the mmWave power increases with the photocurrent (Fig. 4d), the phase noise of the mmWave remains almost the same for all different photocurrents (Fig. 4e). This suggests that low phase noise and high power are simultaneously achieved. The achieved power of 9 dBm is one of the highest powers ever reported at 100 GHz frequency for photonic oscillators .
Summary
In summary, we have demonstrated low-noise mmWave and microwave generation by using integrated OFD. The achieved phase noise is primarily limited by the technical noise in the reference lasers and can be improved in the future to the TRN limit of the reference cavity by packaging the reference cavity to isolate environmental noises .Common mode noise cancellation can be further leveraged at that point to reduce the relative noise between the two reference lasers to below the TRN limit. In addition, interesting developments in vacuum-gap cavities using microfabricated mirrors have been shown to overcome the TRN limit of planar-waveguide reference cavities . Chip-based stimulated Brillouin lasers are useful in reducing phase noise of optical references at high offset frequency . The division ratio demonstrated in this work is limited by the frequency range of our tuneable lasers instead of the optical span of the soliton microcombs. Microcomb-based OFD that leverages 10s THz optical span or even octave span is possible by using dispersion-engineered microresonators . Furthermore, recent developments in the integration of high- resonators and stress-optic modulators will enable feedback control of microresonator frequency for OFD, which can greatly increase the OFD servo bandwidth. Therefore, although our demonstration has improved the phase noise of integrated photonic microwave and mmWave oscillators by more than 20 dB , it is feasible to further advance the phase noise by several orders of magnitude in the future, allowing integrated photonic oscillators to, in a certain offset frequency range, for example, 10 kHz ,
match some of the best bulk optical OFD oscillators . Finally, there is potential for fully integrated OFD oscillators through heterogeneous integration of SiN reference cavities and microresonators with other components , for example, semiconductor lasers, optical amplifiers and photodiodes. In the OFD oscillator, it is possible to replace bulk commercial lasers with integrated lasers for the optical references without compromising the phase noise performance because some newly developed integrated lasers have shown better coherence than the commercial tuneable lasers used in our experiments . Hybrid integration and heterogeneous integration of lasers and soliton microcombs have been shown recently , and given that the soliton nonlinear conversion efficiency has surpassed with a newly developed pump recycling method , it may be possible to eliminate optical amplifiers used in this OFD demonstration in the future.
Online content
Any methods, additional references, Nature Portfolio reporting summaries, source data, extended data, supplementary information, acknowledgements, peer review information; details of author contributions and competing interests; and statements of data and code availability are available at https://doi.org/10.1038/s41586-024-07057-0.
Koenig, S. et al. Wireless sub-THz communication system with high data rate. Nat. Photonics 7, 977-981 (2013).
Ghelfi, P. et al. A fully photonics-based coherent radar system. Nature 507, 341-345 (2014).
Long, D. & Ulaby, F. Microwave Radar and Radiometric Remote Sensing (Artech, 2015).
Fortier, T. M. et al. Generation of ultrastable microwaves via optical frequency division. Nat. Photonics 5, 425-429 (2011).
Xie, X. et al. Photonic microwave signals with zeptosecond-level absolute timing noise. Nat. Photonics 11, 44-47 (2017).
Nakamura, T. et al. Coherent optical clock down-conversion for microwave frequencies with instability. Science 368, 889-892 (2020).
Li, J. & Vahala, K. Small-sized, ultra-low phase noise photonic microwave oscillators at X-Ka bands. Optica 10, 33-34 (2023).
Puckett, M. W. et al. 422 million intrinsic quality factor planar integrated all-waveguide resonator with sub-MHz linewidth. Nat. Commun. 12, 934 (2021).
Liu, K. et al. 36 Hz integral linewidth laser based on a photonic integrated 4.0 m coil resonator. Optica 9, 770-775 (2022).
Brasch, V. et al. Photonic chip-based optical frequency comb using soliton Cherenkov radiation. Science 351, 357-360 (2016).
Kippenberg, T. J., Gaeta, A. L., Lipson, M. & Gorodetsky, M. L. Dissipative Kerr solitons in optical microresonators. Science 361, eaan8083 (2018).
Wang, B. et al. Towards high-power, high-coherence, integrated photonic mmwave platform with microcavity solitons. Light Sci. Appl. 10, 4 (2021).
Xiang, C., Jin, W. & Bowers, J. E. Silicon nitride passive and active photonic integrated circuits: trends and prospects. Photonics Res. 10, A82-A96 (2022).
Matei, D. et al. lasers with sub-10 MHz linewidth. Phys. Rev. Lett. 118, 263202 (2017).
Kittlaus, E. A. et al. A low-noise photonic heterodyne synthesizer and its application to millimeter-wave radar. Nat. Commun. 12, 4397 (2021).
Li, J., Lee, H. & Vahala, K. J. Microwave synthesizer using an on-chip Brillouin oscillator. Nat. Commun. 4, 2097 (2013).
Gundavarapu, S. et al. Sub-Hertz fundamental linewidth photonic integrated Brillouin laser. Nat. Photonics 13, 60-67 (2019).
Herr, T. et al. Temporal solitons in optical microresonators. Nat. Photon. 8, 145-152 (2014).
Liang, W. et al. High spectral purity Kerr frequency comb radio frequency photonic oscillator. Nat. Commun. 6, 7957 (2015).
Yi, X. et al. Single-mode dispersive waves and soliton microcomb dynamics. Nat. Commun. 8, 14869 (2017).
Liu, J. et al. Photonic microwave generation in the X – and K -band using integrated soliton microcombs. Nat. Photonics 14, 486-491 (2020).
Bai, Y. et al. Brillouin-Kerr soliton frequency combs in an optical microresonator. Phys. Rev. Lett. 126, 063901 (2021).
Yao, L. et al. Soliton microwave oscillators using oversized billion Q optical microresonators. Optica 9, 561-564 (2022).
Matsko, A. B., Savchenkov, A. A., Yu, N. & Maleki, L. Whispering-gallery-mode resonators as frequency references. I. Fundamental limitations. J. Opt. Soc. Am. B 24, 1324-1335 (2007).
Lee, H. et al. Spiral resonators for on-chip laser frequency stabilization. Nat. Commun. 4, 2468 (2013).
Jin, W. et al. Hertz-linewidth semiconductor lasers using CMOS-ready ultra-high-Q microresonators. Nat. Photonics 15, 346-353 (2021).
Li, B. et al. Reaching fiber-laser coherence in integrated photonics. Opt. Lett. 46, 5201-5204 (2021).
Blumenthal, D. J., Heideman, R., Geuzebroek, D., Leinse, A. & Roeloffzen, C. Silicon nitride in silicon photonics. Proc. IEEE 106, 2209-2231 (2018).
Swann, W. C., Baumann, E., Giorgetta, F. R. & Newbury, N. R. Microwave generation with low residual phase noise from a femtosecond fiber laser with an intracavity electro-optic modulator. Opt. Express 19, 24387-24395 (2011).
Tetsumoto, T. et al. Optically referenced 300 GHz millimetre-wave oscillator. Nat. Photonics 15, 516-522 (2021).
Kwon, D., Jeong, D., Jeon, I., Lee, H. & Kim, J. Ultrastable microwave and soliton-pulse generation from fibre-photonic-stabilized microcombs. Nat. Commun. 13, 381 (2022).
Zhang, S. et al. Terahertz wave generation using a soliton microcomb. Opt. Express 27, 35257-35266 (2019).
Rappaport, T. S. et al. Wireless communications and applications above 100 GHz : opportunities and challenges for 6 G and beyond. IEEE Access 7, 78729-78757 (2019).
Clivati, C. et al. A VLBI experiment using a remote atomic clock via a coherent fibre link. Sci. Rep. 7, 40992 (2017).
Xie, X. et al. Improved power conversion efficiency in high-performance photodiodes by flip-chip bonding on diamond. Optica 1, 429-435 (2014).
Sun, K. & Beling, A. High-speed photodetectors for microwave photonics. Appl. Sci. 9, 623 (2019).
Morton, P. A. & Morton, M. J. High-power, ultra-low noise hybrid lasers for microwave photonics and optical sensing. J. Lightwave Technol. 36, 5048-5057 (2018).
Stone, J. R. et al. Thermal and nonlinear dissipative-soliton dynamics in Kerr-microresonator frequency combs. Phys. Rev. Lett. 121, 063902 (2018).
Kwon, D. et al. Reference-free, high-resolution measurement method of timing jitter spectra of optical frequency combs. Sci. Rep. 7, 40917 (2017).
Kudelin, I. et al. Photonic chip-based low-noise microwave oscillator. Nature https://doi. org/10.1038/s41586-024-07058-z (2024).
Ishibashi, T., Kodama, S., Shimizu, N. S. N. & Furuta, T. F. T. High-speed response of uni-traveling-carrier photodiodes. Jpn. J. Appl. Phys. 36, 6263 (1997).
Beling, A., Xie, X. & Campbell, J. C. High-power, high-linearity photodiodes. Optica 3, 328-338 (2016).
Li, Q. et al. High-power flip-chip bonded photodiode with 110 GHz bandwidth. J. Light. Technol. 34, 2139-2144 (2016).
Guo, J. et al. Chip-based laser with 1-Hertz integrated linewidth. Sci. Adv. 8, eabp9006 (2022).
Lee, H. et al. Chemically etched ultrahigh-Q wedge-resonator on a silicon chip. Nat. Photon. 6, 369-373 (2012).
Spencer, D. T. et al. An optical-frequency synthesizer using integrated photonics. Nature 557, 81-85 (2018).
Liu, J. et al. Monolithic piezoelectric control of soliton microcombs. Nature 583, 385-390 (2020).
Wang, J., Liu, K., Harrington, M. W., Rudy, R. Q. & Blumenthal, D. J. Silicon nitride stress-optic microresonator modulator for optical control applications. Opt. Express 30, 31816-31827 (2022).
Morton, P. A. et al. Integrated coherent tunable laser (ICTL) with ultra-wideband wavelength tuning and sub-100 Hz Lorentzian linewidth. J. Light. Technol. 40, 1802-1809 (2022).
Stern, B., Ji, X., Okawachi, Y., Gaeta, A. L. & Lipson, M. Battery-operated integrated frequency comb generator. Nature 562, 401-405 (2018).
Xiang, C. et al. Laser soliton microcombs heterogeneously integrated on silicon. Science 373, 99-103 (2021).
Helgason, Ó. B. et al. Surpassing the nonlinear conversion efficiency of soliton microcombs. Nat. Photonics 17, 992-999 (2023).
Publisher’s note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.
Open Access This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons licence, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article’s Creative Commons licence, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article’s Creative Commons licence and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder. To view a copy of this licence, visit http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
(c) The Author(s) 2024
The codes that support the findings of this study are available from the corresponding authors upon reasonable request.
Acknowledgements We acknowledge M. Woodson and S. Estrella from Freedom Photonics for MUTC PD fabrication, Ligentec for SiN microresonator fabrication, K. Vahala at Caltech for the access to tuneable optical filters and gratefully acknowledge DARPA GRYPHON (grant no. HROO11-22-2-0008), National Science Foundation (grant no. 2023775), Advanced Research Projects Agency-Energy (grant no. DE-AR0001042). The views and conclusions contained in
this document are those of the authors and should not be interpreted as representing official policies of DARPA, ARPA-E or the US Government.
Author contributions X.Y., S.S., B.W., Z.Y., D.J.B., S.M.B., A.B. and P.A.M. designed the experiments. S.S., B.W., R.L., F.T. and S.H. performed the system measurements. K.L., M.W.H., J.W., D.J.B., K.D.N. and P.A.M. developed the reference lasers. J.S.M. and A.B. designed and fabricated the CC-MUTC PDs. S.S., B.W., X.Y., F.T., S.M.B. and A.B. analysed the experimental results. All authors participated in preparing the manuscript.
Competing interests The authors declare no competing interests.
Additional information
Supplementary information The online version contains supplementary material available at https://doi.org/10.1038/s41586-024-07057-0.
Correspondence and requests for materials should be addressed to Daniel J. Blumenthal or Xu Yi.
Peer review information Nature thanks the anonymous reviewers for their contribution to the peer review of this work. Peer reviewer reports are available.
Reprints and permissions information is available at http://www.nature.com/reprints.
