高穩(wěn)定低噪聲微波信號在時頻計(jì)量、射電天文、雷達(dá)導(dǎo)航等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。傳統(tǒng)的電學(xué)微波合成方式在穩(wěn)定性和噪聲控制方面已逼近技術(shù)瓶頸，而基于光電子技術(shù)的微波合成方案為突破這一瓶頸提供了新的路徑。在眾多方案中，由超穩(wěn)激光與光頻梳構(gòu)成的光分頻方案表現(xiàn)尤為突出，該系統(tǒng)將應(yīng)用于光鐘的超穩(wěn)激光通過光頻梳分頻至微波，可產(chǎn)生目前已知的穩(wěn)定性最高、噪聲最低的微波信號（團(tuán)隊(duì)成員解曉鵬助理教授是此方案的紀(jì)錄保持者）。然而，現(xiàn)有光分頻系統(tǒng)普遍存在體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，嚴(yán)重制約了其實(shí)際應(yīng)用。如何構(gòu)建緊湊且高魯棒性的光分頻系統(tǒng)，并進(jìn)一步探索其噪聲極限，已成為微波光子領(lǐng)域亟待攻克的重要課題。

近5年，光子傳輸與通信全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的北京大學(xué)電子學(xué)院微波光子團(tuán)隊(duì)與中國計(jì)量科學(xué)研究院、德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院、北京大學(xué)物理學(xué)院等團(tuán)隊(duì)密切合作，提出了一種基于高相干雙波長激光器與電光梳的雙點(diǎn)分頻法方案，探索了該系統(tǒng)的噪聲極限，并取得了紀(jì)錄性的成果，解決了傳統(tǒng)方案在結(jié)構(gòu)復(fù)雜性方面的難題。2025年4月29日，相關(guān)研究成果以《高相干雙波長激光器及其在低噪聲微波產(chǎn)生中的應(yīng)用》（“Highly coherent two-color laser and its application for low-noise microwave generation”）為題，在線發(fā)表于《自然·通信》（Nature Communications）。

論文截圖

為實(shí)現(xiàn)雙點(diǎn)分頻法方案的噪聲極限，團(tuán)隊(duì)采用了PDH穩(wěn)頻技術(shù)（如圖1所示），將兩臺激光器同步至同一超穩(wěn)光學(xué)法布里-珀羅（F-P）腔，使得兩臺激光器之間的相對穩(wěn)定性遠(yuǎn)優(yōu)于各自的絕對穩(wěn)定性，最終實(shí)現(xiàn)了高相干的雙波長激光器。PDH穩(wěn)頻技術(shù)被廣泛應(yīng)用于全球計(jì)量實(shí)驗(yàn)室，能夠?qū)崿F(xiàn)目前已知的最穩(wěn)定連續(xù)激光。過去5年來，團(tuán)隊(duì)深入研究并有效抑制了雙波長激光器系統(tǒng)中的各類噪聲，雙波長激光器的相對相位噪聲達(dá)到-52dBc/Hz@1Hz，歸一化至光頻的分?jǐn)?shù)頻率不穩(wěn)定性達(dá)到2.7E-17@1s，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

圖1 雙波長激光器

在高穩(wěn)定高相干雙波長激光器的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)利用4.2nm的電光梳將雙波長激光器的相對穩(wěn)定性下轉(zhuǎn)換至微波信號的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定微波信號合成。電光梳的使用大大簡化了傳統(tǒng)光分頻系統(tǒng)的復(fù)雜性。由于產(chǎn)生微波信號的相位噪聲低于所有商用相位噪聲分析儀的噪底，團(tuán)隊(duì)研制了兩套獨(dú)立的系統(tǒng)進(jìn)行拍頻相位噪聲表征。最終產(chǎn)生的25GHz微波信號的相位噪聲達(dá)到-74dBc/Hz@1Hz，分?jǐn)?shù)頻率不穩(wěn)定性達(dá)6E-14@1s，與當(dāng)前時間頻率計(jì)量領(lǐng)域最好的氫鐘秒穩(wěn)相當(dāng)，代表著雙點(diǎn)分頻法的國際最高水平。

在研究高穩(wěn)定高相干雙波長激光器的過程中，團(tuán)隊(duì)掌握了下一代光鐘所需的超穩(wěn)激光鎖定技術(shù)。除了本工作中用于光生微波的應(yīng)用外，高相干雙波長激光器還被期望應(yīng)用于高精度干涉儀、CPT原子鐘和量子計(jì)算等領(lǐng)域。

圖2 電光分頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與微波相位噪聲測試結(jié)果