高穩(wěn)定低噪聲微波信號在時頻計量、射電天文、雷達導航等領域發(fā)揮著不可替代的作用。傳統(tǒng)的電學微波合成方式在穩(wěn)定性和噪聲控制方面已逼近技術瓶頸，而基于光電子技術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)激光與光頻梳構成的光分頻方案表現(xiàn)尤為突出。該系統(tǒng)將應用于光鐘的超穩(wěn)激光通過光頻梳分頻至微波，可產生目前已知的穩(wěn)定性最高噪聲最低的微波信號（團隊成員解曉鵬助理教授是此方案的紀錄保持者）。然而，現(xiàn)有光分頻系統(tǒng)普遍存在體積龐大結構復雜等問題，嚴重制約了其實際應用。如何構建緊湊且高魯棒性的光分頻系統(tǒng)，并進一步探索其噪聲極限，已成為微波光子領域亟待攻克的重要課題。

近五年，光子傳輸與通信全國重點實驗室的北京大學電子學院微波光子團隊與中國計量科學研究院、德國聯(lián)邦物理技術研究院、北京大學物理學院等團隊密切合作，提出了一種基于高相干雙波長激光器與電光梳的雙點分頻法方案，探索了該系統(tǒng)的噪聲極限，并取得了紀錄性的成果，解決了傳統(tǒng)方案在結構復雜性方面的難題。2025年4月29日，相關研究成果以“高相干雙波長激光器及其在低噪聲微波產生中的應用”(Highly coherent two-color laser and its application for low-noise microwave generation)為題，在線發(fā)表于《自然·通訊》(Nature Communications)。

圖1. 文章截圖

為實現(xiàn)雙點分頻法方案的噪聲極限，團隊采用了PDH穩(wěn)頻技術（如圖2所示），將兩臺激光器同步至同一超穩(wěn)光學法布里-珀羅（F-P）腔，使得兩臺激光器之間的相對穩(wěn)定性遠優(yōu)于各自的絕對穩(wěn)定性，最終實現(xiàn)了高相干的雙波長激光器。PDH穩(wěn)頻技術被廣泛應用于全球計量實驗室，能夠實現(xiàn)目前已知的最穩(wěn)定連續(xù)激光。過去五年來，團隊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到-52 dBc/Hz@1Hz，歸一化至光頻的分數(shù)頻率不穩(wěn)定性達到2.7E-17@1s，達到國際先進水平。

圖2. 雙波長激光器

在高穩(wěn)定高相干雙波長激光器的基礎上，團隊利用4.2nm的電光梳將雙波長激光器的相對穩(wěn)定性下轉換至微波信號的穩(wěn)定性，實現(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)的復雜性。由于產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，團隊研制了兩套獨立的系統(tǒng)進行拍頻相位噪聲表征。最終，產生的25GHz微波信號的相位噪聲達到-74dBc/Hz@1Hz，分數(shù)頻率不穩(wěn)定性達6E-14@1s，與當前時間頻率計量領域最好的氫鐘秒穩(wěn)相當，代表著雙點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，團隊掌握了下一代光鐘所需的超穩(wěn)激光鎖定技術。除了本工作中用于光生微波的應用外，高相干雙波長激光器還被期望應用于高精度干涉儀、CPT原子鐘和量子計算等領域。

圖3. 電光分頻系統(tǒng)結構與微波相位噪聲測試結果

北京大學電子學院2020級博士研究生何必博、2022級博士研究生楊嘉川和中國計量科學研究院孟飛副研究員為論文的共同第一作者。北京大學電子學院解曉鵬助理教授和中國計量科學研究院孟飛副研究員為共同通訊作者。參與研究工作和論文撰寫的還有北京大學微波光子團隊的陳章淵教授、張宸博博士，中國計量科學研究院的左婭妮副研究員、林弋戈研究員、方占軍研究員，德國聯(lián)邦物理技術研究院的俞佳良博士和北京大學物理學院的楊起帆助理教授。

團隊的前期工作在國際光電子領域頂級會議——2024年激光與電光學會議（Conference on Lasers and Electro-Optics, CLEO）上被遴選為Post-Deadline Paper（PDP）論文報告，在光電子領域具有較大影響力和代表性。2024年度PDP論文共31篇，其中中國大陸僅有3篇。

上述成果得到北京市自然科學基金（JQ24027）、國家自然科學基金(62071010，1230030120)、北京大學“儀器創(chuàng)制與關鍵技術研發(fā)”項目的支持。