高速可调谐微波速率孤子微梳

几种光子技术可以产生相干微波，包括光电振荡器、双频激光器和布里渊激光器。然而，任何电学或光学技术产生的最高频率稳定性的微波信号都是利用光学分频原理从频率梳技术中获得的。微梳为将这种方法小型化到芯片规模提供了一种强大的方法。孤子微梳的卓越相干性已经带来了各种应用，包括光学通信、光谱传感、测距、光学频率合成和神经形态计算。最近，人们对开发在无线电和微波频率范围内具有重复率的孤子微梳产生了极大的兴趣，并有可能在集成芯片上进行微波合成。

高速频率调谐和调制对于相干微波的应用至关重要。然而，当前孤子微梳的重复率从根本上取决于单片梳谐振器的物理尺寸，在器件制造后很难改变。虽然梳谐振器的几何形状可能会因压电致动而变形，但其速度将受到固有的缓慢机械响应的限制，最近显示其工作带宽为 到目前为止，孤子梳的重复率的连续调谐主要依赖于通常限于音频带宽的热或泵浦频率控制。

图1b显示了铌酸锂芯片，该芯片在z切割的绝缘体上铌酸锂晶片平台上制造。图1c显示了一个由微环谐振器、滑轮总线波导和驱动电极组成的器件的详细结构（图1a）。该环形谐振器的设计波导宽度为2.2 μm，可产生约0.035 ps的群速度色散适用于孤子产生的基本准横电模式族的电信波段。电极沿环形谐振器波导放置，电极-波导间距约为4 μm，以便在不影响谐振器的光学品质因子的情况下优化电光调谐/调制效率。电极为525 nm厚，5 μm宽，以支持高速调制。铌酸锂微环谐振器的固有光学品质因子为400万。对于半径高达1.5毫米的谐振器，也获得了类似的光学品质因子。

图1 高速可调谐微波率孤子源的概念。（a）可调谐孤子源及其工作原理的示意图。OSA，光谱仪，ESA，电谱仪。(b) 一个铌酸锂梳谐振器芯片的照片。(c) 器件的光学图像和驱动电动体和谐振器波导的详细结构。

通过将环形谐振器的半径从100 μm增加到450 μm，可以改变孤子重复率从200 GHz到44.84 GHz，如图2a所示。由于受激拉曼散射的干扰，谐振腔尺寸的进一步增加不是最重要的。铌酸锂显示出丰富的拉曼散射特性，最近显示出在克尔孤子上引入了自频位移。然而，当一个斯托克斯频率匹配一个空腔共振时，拉曼激光也是可能的。对于半径大于1 mm的谐振器，自由光谱范围小于20 GHz，拉曼激光不可避免，这干扰了孤子的产生。对于这里使用的z切谐振器，最显著的干扰来自斯托克斯波，其拉曼频移为19 THz声子模式。为解决这个问题，滑轮总线波导被设计为在1550 nm左右的泵浦波长处临界耦合，在1720 nm左右的拉曼斯托克斯波长处过耦合。因此，可以抑制拉曼激光激光。

图2 具有不同重复频率的孤子微梳。a-c，重复频率分别为200、44.84、19.82和13.5 GHz的孤子梳的光谱，在半径为100 μm (a)、450 μm (b)、1020 μm (c)和1500 μm (f)的铌酸锂梳谐振器中产生。相应的片上泵浦功率分别为33 (a)、396 (b)、282 (c)和400 mW (f)。在a，c，f中，泵浦模式被一个光纤布拉格光栅过滤器过滤出来。b中的右窗格显示了从44.84 GHz孤子梳中检测到的微波信号的电光谱。频谱的分辨率带宽为500 Hz。d和e中显示的孤子梳检测产生的19.82 GHz微波信号的电谱和相位噪声在高速探测器检测到之前，孤子梳被光学放大器引导。g和h与d和e相同，但对于(f)中所示的13.5 GHz孤子梳。在d和g中，频谱的分辨率带宽为200 Hz。在所有的实验中，器件都是自由运行的，没有主动反馈，泵浦激光腔失谐由光折变效应自稳定。

该器件的宽带电光响应意味着孤子微梳的高速调谐控制是可能的。为了显示这一特征，研究人员对19.81 GHz的梳谐振器应用了一个正弦电信号，并监测了检测到的微波信号的频率。如图3b-e所示，正弦电光驱动器产生微波信号的正弦频率调制。在调制频率为1 MHz时（图3b），一个峰值驱动电压为0.76 V产生的调幅为41.8 kHz，对应于55 kHz/V。调频频率随调制频率的增加而显著增加，在调制频率为10 MHz和50 MHz时，分别达到463 kHz/V和824 kHz/V（图3c和d）。如图3e所示，能够以高达75 MHz的调频微波信号，其中驱动电压为3.0 V产生的调频振幅为3.45 MHz，对应的调频效率为1.15 MHz/V。在这里，时频谱的模糊是由于用于时变频率的频谱分析仪有限的带宽（160 MHz）来表征。出于同样的原因，时间变化的频率分析可能低估了调频振幅，因为它只捕获如此高调制频率下的一阶调制边带。

的确，图3e中显示的微波光谱，意味着一个相当高的调频振幅和效率。这样的调频振幅仅仅在6.7 ns（调制周期的一半）的时间尺度内实现，在调制频率为75 MHz时达到5×10¹⁴ Hz/s。然而，由于谐振器的光子寿命限制，调频效率随着调制频率的进一步增加而下降。微波信号的调频的一个机制是孤子的拉曼诱导孤子自频移，其大小取决于激光腔失谐。梳谐振器的电光调制调制了泵浦波的激光腔失谐，从而改变了孤子自频移的大小，从而改变了克尔孤子的载波频率。这种机制解释了100-200 kHz/V的调频效率，这很好地解释了在低调制频率下观察到的现象。然而，在50 MHz和75 MHz的较高调制频率下观察到的调频效率远远大于这个值。其潜在原因可能与电光调制的速度有关，它与谐振腔中的光子寿命相当，因此，空腔共振不能再绝热地跟随电光调制。然而，确切的物理机制目前尚不清楚，还需要进一步探索。另一方面，拉曼诱导孤子自频移的相同机制导致所产生的微波有一定程度的调幅。

图3 孤子重复率的高速调制。a，梳谐振器的电光调谐性能。左：空腔共振的直流调谐。右图：梳谐振器的电光调制响应。为了表征电光调谐性能，泵浦激光功率降低到一个低水平，不产生梳或其他非线性效应，器件本质上作为一个纯电光调制器。为了获得电光调制响应曲线，泵浦激光波长固定到腔谐振，以孤子梳重复频率的调制频率记录谐振器传输的调制频率1 MHz (b)、10 MHz (c)、 50 MHz (d)、75 MHz (e)。左栏：检测到的微波的光谱。中心列：频率与时间谱。右栏：顶部：应用驱动电压年龄；底部：随时间变化的频率曲线，即中心坐标柱中显示的频率与时间谱的平均轨迹。数据用电频谱分析仪（Tektronics，RSA5126B）记录。在中心列显示的频率与时间谱中，随着频谱调制频率的增加，频谱的模糊是由于频谱分析仪的带宽有限（160 MHz）。在所有的图像中，与图2相同，该装置是自由运行的，没有主动反馈，泵浦-激光-腔失谐通过光折变效应自稳定。

图4 孤子重复频率对参考微波源的锁定。a，实验测试装置的示意图。孤子重复频率通过两种独立的方法被锁定在一个外部参考微波源（Anritsu，MG3697C）上。在第一种方法中，外部微波信号直接以接近谐振器自由光谱范围（黄色虚线框）的调制率驱动梳谐振器。这被标记为射频直接锁定。b，光电梳谐振器在较宽频率范围内的调制响应。在第二种方法中，将检测到的孤子微波信号与外部参考微波进行比较，并利用误差信号进行电光调谐孤子重复率（红色虚线框）。这被标记为射频反馈锁定。插图显示了当梳谐振器以功率为20 dBm的19.81 GHz微波信号驱动梳谐振器时所产生的梳边带的光谱。电光调制响应曲线在低激光功率下记录，使器件作为一个纯电光谐振器，类似于图3a。c，检测到的19.81 GHz微波的相位噪声谱。黄色和红色曲线分别表示射频直接锁定（a中的黄色框）和射频反馈锁定（a中的红色框）的情况，而蓝色曲线表示设备自由运行时的情况。灰色曲线显示了外部参考微波的相位噪声。

总之，研究人员实现了微波率孤子微梳，其重复率可以在高速下调谐。通过利用铌酸锂的强电光口袋效应，并将电光调谐和调制组件直接集成到铌酸锂梳谐振器中，能够实现高达75 MHz的连续调频速度和高达5.0×10¹⁴ Hz/s的调频率，比现有的微梳技术快几个数量级。该器件的调制效率为1 MHz/V，如果采用所有三组驱动电极，该调制效率可以进一步提高。该器件提供了一个显著的带宽（高达几十吉赫兹），用于反馈锁定重复频率到外部参考源，使实现直接注入锁定（通过交互性电光调制）和反馈锁定（通过快速重复频率控制）到梳谐振器本身，而不涉及外部调制。该装置提供的宽带锁定将通过自注入检测到的微波反馈锁定到梳谐振器，使基于组合的自持续相干微波振荡成为可能。这种自持续的方法不仅可以提高微波的相干性，而且还可能消除在当前的组合微波合成中所需要的外部参考微波源的需要。除了微波应用，灵活和高速孤子微梳的时间调制可能提供一个新的路径传感应用程序如双梳光谱学，孤子梳与时变重复率自然提供了孤子子集与不同的重复率传感和参考路径（适当的时间延迟）。这种方法将使双梳甚至多梳光谱学，只有一个单一的和重复频率可调谐的孤子梳，可以大大简化传感结构。这些应用程序的开发将留给下一步的未来探索。总的来说，这项研究为孤子微梳带来了高速调制，为相干微波的电光处理提供了一种新的方法，并为孤子梳线的高速控制开辟了巨大的途径，对频率计量、频率合成、雷达/激光雷达、传感和通信等许多应用至关重要。