近日，深圳国际量子研究院刘骏秋研究员团队与德国卡尔斯鲁尔理工大学、上海科技大学、新加坡Linkstar Microtronics公司、南京航空航天大学的学者合作，实现了一种全新的低噪声微腔光频率梳（简称“微梳”）架构。该架构利用光电振荡器构建反馈回路去启动和同步微梳，极大地降低了微梳重复频率的相位噪声。同时该架构不需要额外的激光源、复杂的主动锁定装置、额外的光学参考腔以及微波驱动源等，大大简化了低噪声微梳装置的复杂度。此外，该工作演示方案中的激光器、调制器、集成光学微腔和高速探测器全部是CMOS工艺量产的芯片器件，展示了该系统的全异质集成潜力。该光电振荡器频率梳在微波光子学、光纤无线传输技术和光通信等领域有广阔的应用前景。相关研究成果以“A chip-based optoelectronic-oscillator frequency comb” 为题发表于 eLight 期刊。该工作得到了科技部、基金委、广东省以及深圳市的大力支持。

光频率梳具有绝对的频率刻度，可以将射频微波频率与光学频率相干转换，自其发明以来，在计时、光谱学、精密计量以及基础物理验证等领域做出了革命性的贡献。传统方案里，光频率梳由固态或光纤锁模激光器构建。近年来得益于超低损耗集成光路和光芯片的出现和快速发展，以及异质异构集成技术的发展，光频率梳已经能在芯片集成的光学微腔中实现。这种基于光学微腔的光频率梳简称“微梳”。微梳因其光谱展宽大、重复频率高等特点受到学术界的广泛关注。同时，芯片集成的微梳具有体积小、重量轻、功耗低的特点，并且已经实现了低成本、高良率的大规模量产，在实验室外和空间科学中具有巨大的应用潜力。

芯片集成微梳技术的一个重要发展需求是降低微梳重复频率的相位噪声，提升微梳的整体相干性。如今，利用“两点光分频”技术协同生成的微梳已经获得了极低的重复频率相位噪声。然而现阶段光分频方案通常需要多台超稳激光源、复杂的频率锁定装置、多路激光放大单元、额外的参考信号源和参考腔等，同时需要复杂的启动操作。这些要求无疑大大增加了系统的复杂度，降低了系统的稳定性，不适用于很多对尺寸和功耗敏感的实际应用场景。

该工作展示了一种全新的低噪声微梳生成架构，如图1a所示。该架构利用光电振荡器构建反馈回路去启动和同步微梳，极大地降低了微梳重复频率的相位噪声，提升了微梳的整体相干性。其原理图如图1b所示。激光器输出的激光经调制器调制后注入芯片集成光学微腔中。如果调制器的调制频率等于微腔中微梳的重复频率，微梳就能自动生成；同时，再利用高速探测器探测微梳的重复频率，并将该信号反馈重新注入调制器，此时调制器的调制频率就是微梳的重复频率，确保微梳能够自动生成。因此该光电振荡反馈成功建立。在该反馈作用下，微梳可以自启动（self-start）并自维持（self-maintain）。进一步通过优化反馈环路增益，微梳可以获得超低的重复频率的相位噪声。

该系统构成简单，不需要额外的辅助激光源、复杂的主动锁定装置、额外的参考腔以及微波驱动源等。与此同时，它是一种自启动、自维持的被动锁定微梳生成装置，不需要复杂的主动锁定和预启动操作。这大大简化了装置的结构复杂度和操作复杂度，增强了微梳运行的稳定性。此外，如图1c所示，该工作演示方案中的激光器、调制器、芯片集成光学微腔和高速探测器全部是CMOS工艺量产的芯片级器件，展示了该系统的全异质集成潜力。研究团队搭建了相关实验装置验证了该架构的可行性。经优化，微梳重复频率的相位噪声在1/10/100 kHz傅里叶偏移频率处分别达到− 97/− 126/− 130 dBc/Hz的指标。

该工作所实现的新型微梳生成架构可以有效结合光电振荡器和芯片集成微梳这两个技术领域，通过光电振荡器领域积累的丰富的噪声优化技术去显著降低微梳重复频率信号的相位噪声。得益于成熟的半导体CMOS和III-V工艺，以及异质异构集成和光电融合技术的快速发展，该工作提出的光电振荡器微梳有望集成到单一芯片上，从而进一步增强微梳装置的集成度和稳定性。该光电振荡器微梳技术已经展现出良好的噪声性能，同时具有微型化、轻量化与低功耗的显著优势，在微波光子学、光纤无线传输技术和光通信等领域具有广阔应用前景。