Микроволновый осциллятор на чипе, основанный на оптической гребёнке

Китайские ученые создали первый в мире полностью гибридно-интегрированный микроволновый осциллятор на основе микрогребня (microcomb), который объединяет лазер, микрорезонатор и фотодетектор на одном чипе, описано в данной статье. Это компактное устройство генерирует микроволновый сигнал с рекордно низким уровнем шума и исключительной стабильностью. Данная технология открывает новые возможности для коммуникаций, радаров, систем точного времени и измерений.

Введение

Низкошумные микроволновые осцилляторы являются ключевыми компонентами в современных технологических системах, включая беспроводную связь, радиолокацию, спутниковую коммуникацию и прецизионные измерения времени. Особое значение имеет X-диапазон (8–12 ГГц), широко используемый в радарах и системах передачи данных. Традиционные электронные генераторы сталкиваются с фундаментальными ограничениями в отношении фазового шума и полосы пропускания, что стимулировало активный поиск альтернативных решений. Фотонные методы синтеза микроволн, особенно с использованием оптических частотных гребёнок, демонстрируют превосходные характеристики благодаря процессу оптического деления частоты (OFD).
Оптические частотные гребёнки действуют как идеальные линейки, связывающие радиочастотный и оптический диапазоны. Эталонные на оптических часах системы OFD позволяют достигать беспрецедентной стабильности частоты. Однако такие системы традиционно остаются громоздкими, сложными и требуют внешних опорных сигналов. Прорывом стало появление микрокомбов – частотных гребёнок, генерируемых в высокодобротных оптических микрорезонаторах за счёт керровской нелинейности. Микрокомбы, интегрированные на чипе, обладают малыми размерами, низким энергопотреблением и могут работать в широком диапазоне частот. Несмотря на значительный прогресс, создание полностью интегрированного и автономного микроволнового осциллятора на основе микрокомба, который объединял бы лазер, микрорезонатор и фотодетектор на общей подложке, оставалось нерешённой задачей. Данная работа представляет первое успешное решение этой проблемы.

Концепция и архитектура устройства

Продемонстрированное устройство представляет собой гибридно-интегрированный чип, выполняющий три функции в одном корпусе: генерация узкополосного лазерного излучения, формирование когерентной оптической гребёнки и преобразование её в низкошумящий микроволновый сигнал. Архитектура системы включает три ключевых компонента, гибридно интегрированных на площади 76 мм²:

Полупроводниковый DFB-лазер с длиной волны 1550 нм, способный выдавать мощность до 160 мВт.
Высокодобротный микрорезонатор на основе нитрида кремния (Si₃N₄) со спектральным интервалом (FSR) 10.7 ГГц.
Высокоскоростной фотодетектор (PD) на основе InGaAs/InP с полосой пропускания 110 ГГц и отзывчивостью 0.3 А/Вт.

Лазер и фотодетектор подключены к микрорезонатору посредством торцевой связки. Устройство управляется специализированной микроэлектронной схемой, которая обеспечивает питание лазера и стабилизацию его температуры.

Ключевые технологические достижения

1. Высокодобротный микрорезонатор из Si₃N₄:
Микрорезонатор является сердцем системы. Его добротность (Q-фактор) критически важна для эффективной генерации микрокомба, так как пороговая мощность для параметрической генерации обратно пропорциональна Q². Используя усовершенствованный DUV-процесс на 6-дюймовых пластинах, авторам удалось добиться рекордных и воспроизводимых результатов. Статистическая характеристика 70, 220 резонансов показала, что наиболее вероятное значение собственной добротности (Q₀) составляет 25 миллионов, что соответствует оптическим потерям всего около 1.3 дБ/м. Такой высокий выход годных устройств демонстрирует совместимость процесса с массовым КМОП-производством.
Важной особенностью данного микрорезонатора является его нормальная групповая дисперсия (GVD < 0). Это определяет тип генерируемой гребёнки – вместо ярких солитонов (DKS) здесь формируются тёмные импульсы, или платиконы (platicons). Выбор платиконов обусловлен двумя ключевыми преимуществами:

Высокая эффективность преобразования: КПД преобразования непрерывного излучения насоса в импульсное состояние достигает 8%, что на порядок выше типичных значений для DKS (~0.2%).

Отсутствие необходимости в фильтрации: При детектировании DKS мощная линия накачки должна быть подавлена, чтобы избежать насыщения фотодетектора. В случае с платиконами мощная линия накачки не является помехой; напротив, её биения с соседними модами гребёнки вносят основной вклад в генерацию мощного микроволнового сигнала на частоте повторения импульсов, что упрощает архитектуру системы.

Рис. 1 Схема и изображения гибридного фотонного микроволнового осциллятора на чипе на основе микрогребёнки. a Схема устройства на чипе. Микроэлектронная схема подает ток на DFB-лазер и стабилизирует его температуру. Через торцевую связь CW-свет от лазера попадает в Si₃N₄ микрорезонатор (A⁺). Используя оптическое обратное рассеяние (A⁻) из Si₃N₄ микрорезонатора в лазер, происходит самовоздействующая синхронизация (SIL) лазера, что значительно сужает ширину линии лазера. Одновременно в микрорезонаторе формируется циркулирующий поток платиконов/темных импульсов. Выходной поток импульсов принимается чипом ФД, который выдает микроволновую несущую на частоте повторения импульсов. S_φ, фазовый шум микроволн. f_offset, фурье-смещение частоты. b Фотография гибридного устройства на чипе и отдельных компонентов. c Увеличенное изображение, показывающее DFB-лазер, закрепленный проводными связями на PCB и связанный торцевой связью с чипом Si₃N₄ микрорезонатора. d Увеличенное изображение, показывающее чип ФД, связанный торцевой связью с чипом Si₃N₄ и подключенный пробником типа земля-сигнал-земля (GSG) для вывода микроволнового сигнала. e Ложное цветное СЭМ-изображение, показывающее многослойную структуру ФД. InGaAs, арсенид галлия-индия. InGaAsP, фосфид-арсенид галлия-индия. InP, фосфид индия. BCB, бензоциклобутен, тип смолы.

Рис. 2 Характеристика микрорезонаторов из Si₃N₄ и чипа фотодетектора. a Гистограмма 70, 220 измеренных собственных добротностей (Q₀) с двадцати семи чипов Si₃N₄ на 6-дюймовой подложке. Наиболее вероятное значение составляет Q₀ = 25 × 10⁶. b Профиль интегральной дисперсии Dint/2π микрорезонатора из Si₃N₄ со спектральным диапазоном (FSR) 10,7 ГГц. Красные точки — экспериментальные данные, синяя линия — полиномиальная аппроксимация. Опорная частота ω₀/2π = 193,324 ТГц соответствует частоте накачки DFB-лазера. D₁/2π = 10,686 ГГц — это FSR микрорезонатора. D₂/2π = –87,27 кГц — это нормальная групповая дисперсия (GVD). c Наиболее вероятные значения Q₀ чипов Si₃N₄ в различных точках, равномерно распределенных по 6-дюймовой подложке. В большинстве точек наблюдается Q₀ ≥ 20 × 10⁶, что демонстрирует высокий выход годных изделий процесса изготовления Si₃N₄. NA — нет данных. d Амплитудно-частотная характеристика чипа ФД размером 3 × 15 мкм². Красные точки — экспериментальные данные, синяя линия — полиномиальная аппроксимация. e Измеренный темновой ток в зависимости от напряжения смещения чипа ФД. Отрицательное напряжение смещения приводит к темновому току ниже 1 нА. f Измеренная чувствительность (отклик) чипа ФД в зависимости от длины волны. g Мощность RF-сигнала в зависимости от переменного тока чипа ФД. Измеренные данные (красные точки) соответствуют идеальному случаю (черная линия).

2. Эффект самовозбуждающейся инжекционной синхронизации (SIL):
Одним из наиболее важных физических явлений, используемых в работе, является SIL. Благодаря обратному рассеянию света (A⁻) от микрорезонатора в лазерный диод (из-за шероховатостей волновода), частота лазера захватывается и стабилизируется резонансной частотой высокодобротного микрорезонатора. Это приводит к заметному сужению линии лазера. Этот сверхузкополосный лазерный сигнал является идеальным источником накачки для генерации низкошумящего микрокомба.

3. Наблюдение и использование динамики подавления шума:
Авторы обнаружили и детально исследовали нетривиальное поведение системы при переключении между дискретными состояниями платиконов. При плавной перестройке тока накачки лазера наблюдались скачкообразные переходы между разными устойчивыми состояниями гребёнки, что проявлялось в ступенчатых изменениях оптической мощности на выходе и частоты повторения импульсов (fᵣ).
Было обнаружено, что внутри каждого такого состояния существует особая точка, где частота повторения fᵣ достигает локального максимума и становится нечувствительной к колебаниям тока лазера (dfᵣ/dI = 0). В этой точке:

Фазовый шум микроволнового сигнала на отстройке 10 кГц достигает локального минимума (происходит его дополнительное подавление).
Мощность выходного СВЧ-сигнала достигает локального максимума.

Это явление, названное "noise-quenching dynamics" (динамика гашения шума), обеспечивает устойчивость системы к низкочастотным флуктуациям тока накачки лазера, что является основным источником шума в таких системах. Работа в этой оптимальной точке позволяет добиться подавления фазового шума более чем на 20 дБ и увеличения выходной мощности на 10 дБ по сравнению с работой в неоптимальном режиме.
Результаты генерации микроволн
При работе в оптимальном режиме "гашения шума" система продемонстрировала выдающиеся характеристики:

Фазовый шум микроволнового сигнала на частоте 10.7 ГГц составил:
–75 дБн/Гц на смещении 1 кГц
–105 дБн/Гц на смещении 10 кГц
–130 дБн/Гц на смещении 100 кГц
Ширина линии несущей составила 6.3 мГц.

Благодаря широкой полосе фотодетектора (110 ГГц), система также генерирует гармоники основной частоты: вторая (21.4 ГГц, K-диапазон) и третья (32.1 ГГц, Kₐ-диапазон). Их фазовый шум увеличивается в соответствии с теоретическим законом 20logN (где N – номер гармоники), что подтверждает корректность работы системы.

Рис. 3 Наблюдение и характеристика динамики подавления шума в дискретных состояниях платиконов. a Оптические спектры четырёх состояний платикона при значениях тока DFB-лазера 313,25, 315,77, 316,23 и 316,61 мА. b Измеренная оптическая мощность платикона (пропорциональная постоянному выходному напряжению ФД, синие точки) и фазовый шум СФ микроволнового сигнала (Sφ) на отстройке по Фурье 10 кГц для несущей частоты fᵣ ≈ 10,7 ГГц (красные точки). c Измеренная частота микроволнового сигнала fᵣ ≈ 10,7 ГГц (светло-синие точки) и производная fᵣ по току DFB-лазера (т.е. dfᵣ/dI, фиолетовые точки). f₀ = 10,685550 ГГц — это смещение частоты. d Измеренная мощность микроволнового сигнала на частоте fᵣ ≈ 10,7 ГГц. В пределах каждого состояния платикона серые пунктирные стрелки на панелях b–d выделяют состояния с подавлением шума, где локальные минимумы Sφ всегда совпадают с локальными максимумами fᵣ и мощности микроволнового сигнала, а также с точками, где dfᵣ/dI = 0.

Заключение
Данная работа представляет собой комплексный прорыв в области интегрированной фотоники. Впервые продемонстрировано полностью гибридно-интегрированное устройство, которое монолитно объединяет все необходимые компоненты для генерации сверхстабильных микроволн на основе микрокомба: лазер, микрорезонатор и фотодетектор.
Ключевыми научно-технологическими достижениями являются:

Создание высокодобротных и технологичных микрорезонаторов из Si₃N₄, совместимых с массовым производством.
Эффективное использование явления самовозбуждающейся инжекционной синхронизации для кардинального снижения шума лазера и одновременной генерации стабильного платикон-микрокомба.
Открытие и использование уникальной динамики "гашения шума" внутри дискретных состояний платикона, что обеспечивает устойчивость к основным источникам шума и позволяет значительно улучшить фазовые характеристики и мощность выходного сигнала.

Представленная платформа не только устанавливает новый рекорд для интегрированных систем, но и открывает путь к созданию коммерчески выгодных, массовых и доступных чипов для генерации низкошумящих микроволн. В перспективе дальнейшая миниатюризация за счёт гетерогенной интеграции, улучшение долговременной стабильности с помощью систем активной стабилизации и масштабирование частоты в миллиметровый диапазон позволят применять такие устройства в новом поколении систем связи, радаров, точного времени и научных приборов.

Источник: https://www.nature.com/articles/s41377-025-01795-0?fromPaywallRec=true

Перевод: Сотрудник компании ООО "ТТМ" Каташев А. А.