近日，北京大学“极端光学创新研究团队”杨起帆研究员和龚旗煌院士团队实现仄秒级（1仄秒=10-21秒）定时抖动噪声的光子学微波振荡器。2025年5月23日，相关研究成果以“微腔参考具有仄秒级定时抖动噪声的孤子微梳”（Microresonator-referenced soliton microcombs with zeptosecond-level timing noise）为题，发表于《自然·光子学》（Nature Photonics）。

在5G通信、量子传感及高分辨率雷达等领域，低相位噪声、高频率微波信号的需求日益迫切。然而传统电子学微波振荡器受限于电线电感和电子延迟等因素影响，难以实现高频与高纯度的微波信号。与此同时，光子学微波振荡器则由于其体积小、抗电磁干扰和高频微波生成潜力等优势受到越来越多的关注。

在光子学微波振荡器领域，光学频率分频（Optical Frequency Division, OFD）技术因其低噪声的独特优势备受关注。其核心原理是通过将光学频率梳锁定至参考激光，把参考激光光学波段的高相干性与稳定性传递至光梳重频对应的微波频段，从而生成超低噪声微波信号。然而，传统光学频率分频系统通常依赖体积庞大的法布里-珀罗参考腔与复杂的光频梳装置，导致其严重依赖实验室环境（恒温、隔振甚至真空），且存在成本高昂、体积大和功耗过大等问题，严重限制了实验室外场景的应用。为解决上述问题，研究团队使用图1所示小型化的回音壁式MgF2参考腔来锁定激光，利用集成Si3N4微腔来产生光学频率梳，并采用“两点锁定”的方案来进行光学频率分频。该方案大大减小了系统的体积、功耗，为推动光学频率分频系统实际应用迈出了关键一步。

图1. 基于光学微腔的光学频率分频。a, MgF2参考光学微腔实物图片。b, Si3N4非线性光学微腔实物图片。c, “两点锁定”光学频率分频原理图。

具体的方案如图2所示，将两束参考激光通过Pound-Drever-Hall方法锁定到同一MgF2参考腔。得益于MgF2参考腔的高品质因子和低热折变噪声特性，以及两束激光共锁至同一参考腔所带来的共模抑制效应，两束参考激光之间的相对相位噪声将会得到显著抑制。使用连续激光泵浦集成 Si3N4微腔可产生孤子光梳，提取参考激光与邻近光梳梳齿的拍频并进行混频即可得到光梳锁定的误差信号，通过伺服系统反馈泵浦激光的频率即可实现光梳的锁定，将锁定后的光梳耦合到光电探测器上即可合成微波信号。最终，团队基于小型化的光学频率分频系统合成的25 GHz频率微波相位噪声在10 kHz偏移频率低至-141dBc/Hz，在10 Hz偏移频率处低至-85 dBc/Hz。

图2. 光学频率分频实验与结果。a,光学频率分频实验简图。b,自由运行（蓝）、锁定后（红）的孤子光梳重频相噪以及参考激光投影噪声（绿）的测量结果。

该微波的噪声性能不仅远优于现有的商用低噪声电子微波振荡器，在国际同类型的小型化光子学微波振荡器中也处于最优水平。为进一步探索光学频率分频系统的实际应用潜力，研究团队开展了抗干扰通信和多普勒雷达应用演示实验。如图3所示，随着电子设备增多，通信频段日益拥挤，弱的通信信号易受强干扰影响，从而影响通信性能。团队将光学频率分频系统生成的低噪声微波应用于通信系统的本地振荡器，并与传统电子学微波振荡器对比，验证了其在抗干扰通信中的优势。此外，随着无人机在物流巡检、航拍摄影等民用领域的爆发式增长，其引发的“低慢小”目标探测难题日益凸显。受限于其雷达反射面小和速度慢的特点，无人机雷达回波信号弱且频率与背景回波相近，传统雷达通常难以有效识别。团队基于低噪声微波信号构建多普勒雷达系统，并与传统电子学微波振荡器对比，证实了其在提升多普勒雷达灵敏度的显著优势。

图3. 抗干扰通信应用实验。a，抗干扰通信应用场景示意图。b，以光学频率分频系统（OFD）和电子学微波振荡器（PSG）作为通信系统本地振荡器时的信息信号与干扰信号频谱。c,信息信号与干扰信号的频率差对信噪比的影响。d,采用 64QAM 调制格式的信息信号解调后星座图。e,多普勒雷达应用场景。f,以OFD和PSG信号作为雷达载波时的回波频谱。

北京大学物理学院2021级博士生金星、2022级博士生谢震宇、2022级本科生侯翰飞和北京大学电子学院博士后张祥鹏为论文共同第一作者；杨起帆为该论文的通讯作者。合作者还包括北京大学物理学院2021级本科生吴秉彦，2022级硕士生张玄诣，北京大学长三角光电科学研究院研究员张方醒，北京大学电子学院研究员常林。

上述研究工作得到了国家重点研发计划、北京市自然科学基金、国家自然科学基金、南通市科技局资助项目、人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心和北京大学高性能计算中心的大力支持。

论文原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41566-025-01669-2