高性能微波生成技术直接决定了电子通信、雷达及传感系统的核心能力。传统的电子技术在追求高频时，噪声性能会急剧恶化。虽然微波光子技术能利用光波的高频特性来打破这一限制，有望从光域“搬运”出低噪声微波，但其复杂的系统架构和庞大的体积，长期以来阻碍了其走出实验室、迈向实际应用。针对这一挑战，研究团队成功研制出一种基于光学锁定微光学参考的紧凑型振荡器。其核心创新在于采用双激光自注入锁定方案，将两个分布式反馈激光器同时锁定到一个体积仅为1 mL的超高Q值法布里-珀罗腔，可天然抑制共模噪声，实现了超过20 dB的共模噪声抑制。
图1. 基于高Q值微法布里-珀罗参考腔的紧凑型低噪声光子微波振荡器概念。主要由三部分组成：i) 微型光学参考系统。构建了一个微型微光学系统，产生具有高共模噪声抑制的双自注入锁定激光，作为频率稳定的微型光学参考；ii) 片上频率分频器。高性能薄膜铌酸锂级联调制器产生电光频率梳。在最近的两对频率梳上产生携带放大相位噪声信息的新中频信号；iii) 微波发生器。可调电子振荡器产生用于驱动调制器的微波信号。由中频信号和本地振荡信号产生的误差信号通过伺服控制反馈到振荡器，形成微波振荡环路，产生低噪声微波信号。
整个系统被集成在一个体积仅为166 mL的紧凑模块中，将双波长稳频激光耦合进入一个高性能的薄膜铌酸锂级联电光调制器芯片，转换为两套重复频率相同的电光频率梳，通过外差拍频产生误差信号，并利用伺服反馈锁定一个可调电子振荡器。最终在10.4 GHz频率下实现了低噪声微波生成，其单边带相位噪声在10 Hz、10 kHz和10 MHz偏移频率处分别为-54 dBc/Hz、-141 dBc/Hz和-162 dBc/Hz，同时支持超过350 kHz的无模跳连续调谐。
这项工作成功地将高性能光子微波振荡器从复杂的实验室系统，转化为一个紧凑、稳定、可部署的工程化模块。它通过全光学锁定的微型参考腔与薄膜铌酸锂集成电光梳的协同创新，解决了该领域长期存在的集成度与噪声性能之间的矛盾，为在精密授时、雷达传感和下一代移动通信等平台上的实际应用铺平了道路。未来可通过进一步提升腔体Q值、拓宽光梳光谱以实现更高分频比，以及通过异质集成技术进一步缩小系统体积。
该工作由南京大学祝世宁院士团队的谢臻达教授、贾琨鹏副教授团队与中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所梁伟研究员团队合作完成，成果以Optically locked low-noise photonic microwave oscillator为题，发表于National Science Review。
