为办理上述问题，美国哥伦比亚大学团队开拓了一种新型光学系统，其仅通过单激光器即可产生兼具高质量和超低噪声的微波旗子暗记。
该系统的上风在于设备的小型化，其集成在 1 平方毫米（1 毫米×1 毫米），厚度为 400 微米的芯片上。并且，在 10kHz 偏移频率条件下，还创造了迄今为止集成光子学平台中低噪声微波旗子暗记的新记录-128dBc/Hz。
该技能在自动驾驶（例如车载雷达）、无线通信和精密计量（例如原子钟）等领域，具有广泛的运用潜力。
详细来说：
在自动驾驶领域，微波旗子暗记直接影响着车载雷达的精确度。高质量的微波有助于车载雷达更精准地丈量旗子暗记，以预测和判断对面物体的运动状态。
在无线通信领域，微波旗子暗记则与运载信息量息息相关。高质量的微波旗子暗记，意味着能够携带更多的频率调制信息，从而提升无线通信的效率。
在精密计量领域，这一系统可以与原子气体模块集成，产生更加便携的原子钟。
图丨通过分频产生片上低噪声微波（来源：赵昀）
日前，干系论文以《利用单激光器进行全光分频》（All-optical frequency division on-chip using a single laser）为题揭橥在 Nature 上[1]。
哥伦比亚大学博士后研究员赵昀是第一作者，亚历山大·L·盖塔（Alexander L.Gaeta）教授担当通讯作者。
图丨干系论文（来源：Nature）
光学对付高频率的微波旗子暗记来说，具有显著的上风。由于光学本身频率在几百太赫兹范围内，因此基于光学产生的微波旗子暗记，从实质上是将高光学频率降到较低的微波频率。
也便是说，越高的微波频率离光学的本征频率越近。用电子的方法，微波频率的噪声会更高，而用光学方法则不受该成分的影响，因此高频率微波可以产生超低噪声。
图丨光参量振荡器噪声和光参量振荡-孤子同步的数值仿照（来源：Nature）
从光学旗子暗记产生微波旗子暗记，须要让产生的微波旗子暗记与之前非常高质量的光学旗子暗记同步。
此前的做法须要丈量这两个旗子暗记之间的偏差，然后采取电子或机器的方法加以改动；而该课题组所提出的新方法在程序上更大略，不须要进行任何丈量，即可将光学系统和微波自动锁定在一起。
据先容，该研究的设计灵感来源于萤火虫群体的同步发光征象：它们荧光闪烁和熄灭的频率总是同步的。
赵昀阐明说道：“这个同步征象的关键点在于，只要每个物理个体之间发生非常微弱的耦合，它们的频率就可以同步起来,并不须要额外的丈量与改动，这样可以节省大量的空间和能耗。”
图丨赵昀（来源：赵昀）
该研究相称于将非线性的参量振荡器与频率梳进行同步。从物理图景上来理解，参量振荡器可看作是一个非常小的势垒，而频率梳则可看作为一个粒子。
当粒子滚动到参量振荡器势垒的最低势能处，便不再滚动而是稳定下来。此时，其所产生的微波旗子暗记也不再改变。
此前，如果想产生稳定光学旗子暗记的做法常日是，把一束激光稳定到物理振动腔，以丈量激光与震撼腔之间的偏差旗子暗记，再用电子和机器的办法来稳定这束激光。
而在这次新研究中，该团队采取了一种纯物理的、全新的光学旗子暗记产生办法：非线性光学中的参数振荡法。
“我们创造，参数振荡法能够非常有效地分别隔绝量子噪声和热噪声，不仅可以得到比光学腔本身更稳定的旗子暗记，同时，它的量子真空极限频年夜多数的激光器低得多。”赵昀说。
与其他同步研究不同的是，以往研究中一样平常为相同频率振子之间的同步，而在该研究中，基于谐波系统同步，两个振子之间的频率差异为 468 倍。
“这在之前的光学系统和其他的物理生物系统中都是很少能不雅观测到的，该研究扩展了同步研究系统的范围。”赵昀表示。
图丨可电子检测的微波产生（来源：Nature）
这次研究为领域带来了新的方案，但也有一些器件探索的空间，例如，微波旗子暗记噪声并没有完备隔离系统的热噪声。
图丨亚历山大·L·盖塔（Alexander L.Gaeta）教授课题组（来源：赵昀）
因此，不才一阶段的研究探索中，研究职员操持连续改进参量振荡器的性能，通过调度参量振荡器不同频率的 Q 值等办法，更好地隔绝热噪声。另一方面，目前该课题组在高偏移频率下，受到量子噪声的限定。
赵昀表示：“我们创造，有可能通过量子态干系操作，让参量震荡器的性能超越真空噪声极限，从而进一步降落它产生的微波噪声。目前，我们已经取得了一些初步进展。”
参考资料：
1.Zhao, Y., Jang, J.K., Beals, G.J. et al. All-optical frequency division on-chip using a single laser. Nature 627, 546–552 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07136-2
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