在雷達(dá)探測(cè)、5G/6G無(wú)線通信、射電天文學(xué)及高精度光譜學(xué)等關(guān)鍵領(lǐng)域，穩(wěn)定的微波與毫米波信號(hào)是保障系統(tǒng)性能的核心要素——信號(hào)的譜純度與相位噪聲水平直接決定了設(shè)備的探測(cè)精度、通信速率及觀測(cè)分辨率。長(zhǎng)期以來(lái)，光頻分（OpticalFrequencyDivision,OFD）技術(shù)憑借“將光學(xué)頻率的高分?jǐn)?shù)階穩(wěn)定性相干轉(zhuǎn)移至電子頻率”的獨(dú)特能力，成為生成高純度微波/毫米波信號(hào)的核心技術(shù)路徑。然而，傳統(tǒng)光頻分技術(shù)依賴復(fù)雜的伺服控制組件，存在體積龐大、功耗較高及鎖定帶寬受限（通常僅數(shù)百千赫茲）等問(wèn)題，難以滿足芯片級(jí)集成與便攜化應(yīng)用的需求。
    近期，美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系ShumanSun團(tuán)隊(duì)在《NaturePhotonics》（2025年第19卷，637-642頁(yè)）發(fā)表的研究成果，為上述困境提供了突破性解決方案。該團(tuán)隊(duì)基于集成氮化硅（SiN）光子學(xué)構(gòu)建微腔克爾光頻分系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)一款超低相位噪聲的毫米波振蕩器。此項(xiàng)技術(shù)不僅突破了傳統(tǒng)光頻分對(duì)輔助控制組件的依賴，更將鎖定帶寬提升至數(shù)十兆赫茲量級(jí)，為光頻分技術(shù)的芯片級(jí)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。

    一、核心技術(shù)突破：克爾光頻分的極簡(jiǎn)架構(gòu)革新
    傳統(tǒng)光頻分技術(shù)的核心局限在于系統(tǒng)架構(gòu)的復(fù)雜性——為實(shí)現(xiàn)孤子微梳譜線與光學(xué)參考的相位鎖定，需額外配置光電二極管、電子比例-積分-微分控制器、低頻本地振蕩器等輔助組件，且伺服帶寬受限于硬件性能，難以滿足高穩(wěn)定性信號(hào)生成需求。ShumanSun團(tuán)隊(duì)提出的克爾光頻分技術(shù)，通過(guò)光學(xué)微諧振器內(nèi)的非線性克爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)“被動(dòng)鎖定”，從根本上簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其核心原理可概括為“雙參考激光-孤子微梳”的協(xié)同作用機(jī)制：
    1.參考激光的雙重功能定位
    將兩臺(tái)外腔二極管激光器（激光A與激光B）通過(guò)鎖定技術(shù)穩(wěn)定于同一集成氮化硅線圈參考腔內(nèi)。其中，激光A兼具“泵浦源”與“基準(zhǔn)譜線”雙重角色：一方面作為泵浦激光注入微諧振器，激發(fā)產(chǎn)生孤子微梳，其頻率對(duì)應(yīng)孤子微梳的“第零條譜線”；另一方面，激光B被注入同一微諧振器，其頻率設(shè)定為接近孤子微梳的“第N條譜線”，形成頻率基準(zhǔn)參照。
    2.克爾效應(yīng)主導(dǎo)的被動(dòng)鎖定機(jī)制
    在微諧振器內(nèi)部，激光A與激光B相互作用形成振幅調(diào)制背景，借助非線性克爾效應(yīng)“捕獲”孤子微梳中的孤子，使孤子微梳的時(shí)間基準(zhǔn)與兩臺(tái)參考激光的頻率基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)同步。在時(shí)域維度，孤子的重復(fù)周期為兩臺(tái)參考激光拍頻周期的N倍；在頻域維度，孤子的重復(fù)頻率為兩臺(tái)參考激光頻率差的1/N，從而自發(fā)完成“頻率分頻”過(guò)程，無(wú)需額外控制模塊干預(yù)。
    3.毫米波信號(hào)的高效生成
    將克爾鎖定后的孤子微梳導(dǎo)入高速“電荷補(bǔ)償改性單元行波載流子光電二極管”，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換直接輸出穩(wěn)定的毫米波電信號(hào)。
    與傳統(tǒng)伺服控制光頻分方案相比，該架構(gòu)具備顛覆性優(yōu)勢(shì)：無(wú)需任何輔助控制組件，僅需185μW的注入激光功率即可實(shí)現(xiàn)超過(guò)30MHz的最大鎖定帶寬，顯著提升信號(hào)穩(wěn)定性的同時(shí)，大幅降低系統(tǒng)的體積、重量與功耗（Size,WeightandPower,SWaP），完全適配芯片級(jí)集成的技術(shù)需求。

    二、關(guān)鍵支撐組件：集成氮化硅光子學(xué)的性能突破
    克爾光頻分技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，依賴于集成氮化硅光子學(xué)三大核心組件的性能突破，三者共同構(gòu)成低噪聲毫米波生成的硬件基礎(chǔ)，具體參數(shù)與功能如下表所示：

    值得注意的是，氮化硅材料具備CMOS工藝兼容性，這意味著該系統(tǒng)可與現(xiàn)有半導(dǎo)體量產(chǎn)工藝對(duì)接，為后續(xù)大規(guī)模、低成本產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了技術(shù)可行性。

    三、性能表征：超低相位噪聲與高穩(wěn)定性的實(shí)測(cè)驗(yàn)證
    相位噪聲是衡量毫米波振蕩器性能的核心指標(biāo)，其數(shù)值越低，表明信號(hào)穩(wěn)定性越強(qiáng)，系統(tǒng)工作精度越高。ShumanSun團(tuán)隊(duì)通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)基于克爾光頻分的毫米波振蕩器進(jìn)行了全面性能表征，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示該系統(tǒng)在關(guān)鍵指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的全面超越：
    1.相位噪聲性能突破
    為適配相位噪聲分析儀的測(cè)量范圍，將生成的109.5GHz毫米波通過(guò)“毫米波-微波分頻”技術(shù)降至18.1GHz后進(jìn)行測(cè)量，再通過(guò)頻率縮放還原至原載波頻率（或標(biāo)準(zhǔn)10GHz載波）。結(jié)果顯示：當(dāng)載波頻率縮放至10GHz時(shí)，10kHz偏移頻率下的相位噪聲低至-142dBc/Hz，相較于商用信號(hào)發(fā)生器，性能提升約27dB；100Hz偏移頻率下的相位噪聲達(dá)-98dBc/Hz，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)光頻分方案的性能水平。
    2.輸出功率與穩(wěn)定性
    在14mA光電流條件下，毫米波信號(hào)的最大輸出功率可達(dá)3.4dBm；通過(guò)改變光電流強(qiáng)度進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試，結(jié)果表明不同功率水平下相位噪聲無(wú)顯著波動(dòng)，系統(tǒng)輸出穩(wěn)定性優(yōu)異。
    3.跨方案性能對(duì)比
    將該振蕩器與當(dāng)前最先進(jìn)的集成孤子微梳振蕩器（包括光纖參考方案、法布里-珀羅腔參考方案、集成光學(xué)參量振蕩器方案等）進(jìn)行對(duì)比，所有載波頻率均縮放至10GHz以確保可比性。結(jié)果顯示：該系統(tǒng)在5kHz~100kHz偏移頻率范圍內(nèi)性能與最優(yōu)方案持平，而在100kHz以上偏移頻率時(shí)，因克爾光頻分的大鎖定帶寬（30MHz以上），相位噪聲顯著更低，徹底規(guī)避了傳統(tǒng)方案中常見(jiàn)的“伺服凸起”問(wèn)題。

    四、應(yīng)用前景：多領(lǐng)域技術(shù)賦能與產(chǎn)業(yè)化潛力
    基于集成氮化硅光子學(xué)的微腔克爾光頻分技術(shù)，憑借其芯片級(jí)集成特性、超低相位噪聲及高穩(wěn)定性，有望為多個(gè)戰(zhàn)略領(lǐng)域提供核心器件支撐，具體應(yīng)用場(chǎng)景包括：
    1.5G/6G無(wú)線通信
    5G毫米波頻段（24~40GHz）及6G潛在的太赫茲頻段對(duì)信號(hào)穩(wěn)定性要求嚴(yán)苛，該技術(shù)可提供芯片級(jí)低噪聲毫米波源，為基站小型化與終端設(shè)備便攜化提供技術(shù)支撐，同時(shí)提升通信系統(tǒng)的抗干擾能力與傳輸速率。
    2.高精度雷達(dá)系統(tǒng)
    無(wú)論是民用自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)，還是軍用相控陣?yán)走_(dá)，低相位噪聲信號(hào)均是提升目標(biāo)探測(cè)精度與探測(cè)距離的關(guān)鍵。該振蕩器可直接集成于雷達(dá)收發(fā)模塊，簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)的同時(shí)，保障雷達(dá)的高性能運(yùn)行。
    3.射電天文學(xué)
    射電望遠(yuǎn)鏡需處理極其微弱的宇宙信號(hào)，對(duì)后端信號(hào)處理單元的譜純度要求極高。集成化的低噪聲振蕩器可降低設(shè)備體積與功耗，適配射電望遠(yuǎn)鏡陣列的大規(guī)模部署需求，助力捕捉更細(xì)微的宇宙信號(hào)特征。
    4.高精度光譜學(xué)
    在分子結(jié)構(gòu)分析、環(huán)境污染物監(jiān)測(cè)等光譜學(xué)應(yīng)用中，穩(wěn)定的毫米波信號(hào)可提升光譜分辨率，幫助科研人員獲取更精準(zhǔn)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)信息，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展。

    五、未來(lái)展望：技術(shù)優(yōu)化與全集成目標(biāo)
    盡管當(dāng)前方案已實(shí)現(xiàn)顯著突破，研究團(tuán)隊(duì)仍提出了進(jìn)一步的技術(shù)優(yōu)化方向，以推動(dòng)該技術(shù)向更廣泛應(yīng)用場(chǎng)景延伸：
    1.性能持續(xù)提升
    通過(guò)增大分頻比N（將注入激光頻率調(diào)整至遠(yuǎn)離孤子微梳中心），可進(jìn)一步降低相位噪聲；針對(duì)大分頻比下梳譜線功率衰減的問(wèn)題，可引入色散波技術(shù)，將梳譜線功率提升數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，彌補(bǔ)功率損失。
    2.系統(tǒng)集成度與成本優(yōu)化
    未來(lái)若將該方案與“激光二極管直接泵浦的孤子微梳”結(jié)合，有望徹底消除對(duì)光學(xué)放大器的依賴，進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)、降低成本，推動(dòng)“全集成芯片”的實(shí)現(xiàn)。
    3.頻段覆蓋拓展
    針對(duì)100GHz以上頻段的毫米波/太赫茲信號(hào)生成與相位噪聲表征難題，需開(kāi)發(fā)更高性能的微諧振器與光電轉(zhuǎn)換組件，拓展技術(shù)的頻段適用范圍，滿足更廣泛的應(yīng)用需求。
    綜上所述，美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出的基于集成氮化硅光子學(xué)的微腔克爾光頻分技術(shù)，不僅突破了傳統(tǒng)光頻分技術(shù)的架構(gòu)局限，實(shí)現(xiàn)了芯片級(jí)低噪聲毫米波振蕩器的落地，更為下一代通信、雷達(dá)、天文觀測(cè)等領(lǐng)域提供了核心器件解決方案。隨著集成光子學(xué)工藝的持續(xù)成熟，該技術(shù)有望在未來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)革新與性能躍升。