高質量的微波信號源是通信、雷達、電子測量等系統中的核心器件,微波信號的相位噪聲會直接影響系統的性能。由于電子器件性能的限制,傳統的電學方法很難產生具有良好相位噪聲特性的高頻微波信號。而具有光電混合腔的光電振蕩器(Optoelectronic oscillator,OEO)可以很好地解決這個問題。為了充分發揮OEO的工作潛力,利用微波光子濾波器代替電濾波器實現模式選擇,能夠實現輸出信號頻率的調諧。因此,OEO是一種可以產生寬帶可調諧、低相位噪聲的一種光生微波技術,可以更好的滿足實際的應用需求。

宇稱時間(Parity-Time,PT)對稱理論起源于量子力學并逐漸發展到其他領域。近年來,PT對稱由于具有強大的模式選擇能力而備受關注?;诜至⑵骷罱ǖ腜T對稱OEO,需要構建兩個結構完全一致的反饋環路,增加了系統的復雜度并且對環境擾動極其敏感。隨著光子集成電路的發展,OEO的集成化已然成為未來發展的必然趨勢。與其他材料平臺相比,硅基材料具有成本低、集成度高、損耗小、并且工藝成熟,有利于大規模集成。此外,硅基光子集成與CMOS工藝兼容,可在硅基襯底上同時制備光器件和高速集成電路,是實現單片集成OEO的最具潛力的方案。

半導體新聞網消息,近日,華中科技大學張新亮教授、于源副教授團隊提出了一種基于硅基集成的可調諧PT對稱OEO的新方案。在絕緣體上硅(SOI)上集成了微波光子濾波器、PT對稱的選模結構以及光電探測器,實現了微波信號的選擇、探測、和調諧功能,最終OEO實現了穩定的單模振蕩以及輸出微波信號頻率的調諧。相關研究結果以“On-chiptunable parity‐time symmetric optoelectronic oscillator”為題,發表于Advanced Photonics Nexus2023年第2卷第1期。

為了解決模式競爭的問題,研究人員將微波光子濾波器與PT對稱選模結構相結合,實現了單模起振的片上PT對稱OEO。如圖1所示,在片上集成高Q的跑道型微環,基于高Q微環的微波光子濾波器3dB帶寬約為187MHz,用來實現模式的初步選擇以及輸出頻率的調諧;通過操控片上馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)一臂上的分光比,就可以精細地調控兩個環路中的增益和損耗,從而實現PT對稱的不同狀態。

基于圖1所示芯片搭建了光電振蕩器系統。當不滿足PT對稱時,閉合OEO回路,OEO處于多模振蕩狀態,如圖2(a)所示。多模振蕩電譜的細節圖表明OEO環路的模式間隔為4MHz。通過調整施加到MZI的電壓可以平衡增益和損耗,使增益最大的模式實現PT對稱破缺,從而獲得穩定的單模振蕩。圖2(b)顯示了中心頻率為13.67GHz的單模振蕩的微波信號。插圖顯示了頻譜范圍為100MHz,分辨率帶寬為300kHz的電譜,此時的邊摸抑制比超過45dB。此外,在相同頻譜范圍和分辨率帶寬下的多模振蕩和單模振蕩的電譜如圖2(c)所示。當PT對稱破缺發生時,主振蕩模式的功率增加了2.6 dB,而兩個相鄰的邊模功率分別被抑制了37.6 dB和40.0 dB。根據實驗結果進一步驗證了PT對稱的模式選擇特性和增益增強特性。

通過調節微波光子濾波器的中心頻率可以實現輸出頻率的調諧。通過改變激光器的波長,微波信號的頻率可以在0到20 GHz范圍內調諧,如圖3(a)所示。微波信號的頻率調諧范圍主要受限于微環的自由光譜范圍。輸出微波信號的相位噪聲如圖3(b)所示。對于頻率分別為4.97 GHz和13.67 GHz的微波信號,在10 kHz頻率偏移下的單邊帶相位噪聲分別為−83.42和−80.96 dBc/Hz。該系統的成功演示對進一步開發單片集成的OEO具有重要意義。

該工作基于SOI平臺實現,通過結合微波光子濾波器和PT對稱實現了穩定的單模振蕩的OEO。這為OEO模式選擇提供了新思路,對進一步實現單片全集成OEO具有重要的研究意義。相關的研究成果在雷達、無線通信系統以及電子戰等方面既有潛在的重要應用。該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和華中科技大學學術前沿青年團隊科研項目的資助。

國內研究團隊提出一種基于硅基集成的可調諧PT對稱OEO的新方案

圖1. 芯片結構示意圖。

國內研究團隊提出一種基于硅基集成的可調諧PT對稱OEO的新方案

圖2. (a)多模振蕩電譜圖,插圖為Span為20 MHz,RBW為100 kHz的電譜細節圖;(b)單模振蕩電譜圖,插圖為Span為100 MHz,RBW為300 kHz的電譜細節圖; (c) Span為10 MHz,RBW為50 kHz下單模振蕩與多模振蕩對比電譜圖。

國內研究團隊提出一種基于硅基集成的可調諧PT對稱OEO的新方案

圖3. (a) PT對稱OEO輸出頻率調諧電譜圖;(b)不同頻率的微波信號相位噪聲譜。

來源:武漢光電國家研究中心