近日，南京大学谢臻达教授、贾琨鹏副教授团队与中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所梁伟研究员团队围绕小型化、低相噪微波信号源开展合作研究，提出并实现了一种基于光学锁定的小型化光子微波振荡器。该工作通过纯光学锁定实现了尺寸仅为166 mL的小型化光生微波源，在紧凑的器件尺度下实现了X波段的低噪声微波频率合成，将推动高灵敏雷达探测、高速无线通信与精密测量等关键应用的发展。相关成果近期以“Optically locked low-noise photonic microwave oscillator”为标题，于2026年3月16日在线发表在国内主办的顶级国际综合性学术期刊《National Science Review》上。祝世宁院士在该研究工作中给予了关键指导。

随着雷达探测、高速无线通信和精密测量对微波信号日益严苛的性能需求，传统电子振荡器在相位噪声、频率稳定性以及体积功耗方面逐渐面临瓶颈。相比之下，微波光子技术可以借助光学参考极高的频率稳定度，将光频域的优异相干性转移至电频域，从而突破纯电子振荡器对高频、低噪声信号产生的限制。然而，现有的光子-微波振荡器通常依赖复杂电学锁定系统，难以同时兼顾低噪声性能与工程可用性，成为制约其走向实际应用的重要因素。研究团队构建了基于光学锁定的微型光学参考源，实现了以往需要复杂电学锁定才能产生的低噪声光学参考，并进一步借助薄膜铌酸锂（TFLN）电光频率梳作为高性能分频器，将光学稳定性相干转移到微波域，在紧凑系统中实现低噪声光子-微波振荡器。

图1 基于光学锁定的集成化光子微波振荡器示意图

首先，研究团队基于微光学系统将两个分布式反馈（DFB）激光器通过自注入锁定的方式，耦合到体积仅约1 mL、Q因子超过10⁸的空气间隙微型法布里-珀罗（μFP）光学参考腔之中，并实现全电驱动的一体化封装，体积约为60 mL。由于多路光学链路共同参考同一腔体，腔体振动与热扰动带来的共模波动可被天然抑制，实现大于20 dB的共模噪声抑制。进一步地，研究团队采用TFLN级联调制器生成的双电光频梳作为分频器件，将稳定的光学参考相干地细分、并最终锁定到目标微波载频，实现光学稳定性向X波段微波的转移。

图2 器件架构与微光子学平台

研究团队对封装的微型光学参考源的性能开展了详细表征。该封装模块支持启钥式同时锁定的可靠启动，两路超窄线宽激光分别位于1548.3 nm与1553.3 nm附近，形成约625 GHz的光学参考，输出光谱边模抑制比>50 dB。通过测试得到两路锁定带宽分别约 1.77 GHz 与 0.82 GHz，由测量的频率噪声推得的两路激光本征线宽分别达到 9 mHz 与 55 mHz，在自由运转的情况下，测得 8 小时内中心频率漂移仅为数 MHz；功率稳定性方面，两路参考激光相对强度噪声（RIN）在 10 kHz 以上偏移频率均低于-135 dB/Hz。

图3 双自注入锁定激光特性和噪声性能

基于高性能的低噪声微光学参考模块，研究团队采用电–光分频（e-OFD）架构，耦合进入封装的薄膜铌酸锂级联电光调制器，并由外部介质谐振振荡器（DRO）提供 10.4 GHz 微波驱动（约 35 dBm）产生双色电光频梳。随后通过光学滤波选取相邻梳齿拍频，在光电探测后得到约100 MHz的中频信号，并经低频本振混频产生误差信号后伺服反馈到DRO，实现闭环锁定；一旦中频锁定，微波相位噪声在伺服带宽内按分频因子平方被抑制，理论分频降噪约35.5 dB。实验相位噪声测试表明，锁定后 10.4 GHz 输出相位噪声显著优于DRO自由运转，且与预期噪声抑制效果一致，其中：-54 dBc/Hz @ 10 Hz 频偏, -77 dBc/Hz @ 100 Hz, -108 dBc/Hz @1 kHz, -141 dBc/Hz @ 10 kHz。进一步地，研究团队通过结合电–光分频过程中本振参考频率的参数控制，实现带宽达350 kHz的输出频率连续调谐，突破了传统固定频点低噪声微波源的变频局限性。

图4 紧凑型电-光分频架构与低相噪微波产生

综上所述，研究团队提出并实现了一种可部署的光子-微波振荡器，以微型高Q光学参考腔作为频率基准，基于全光学锁定获得低相噪稳频光学参考，并将其完全封装在可全电驱动的集成模块之中。通过结合集成薄膜铌酸锂级联电光调制器产生双色电光频率梳，通过构建电–光分频闭环，将光学稳定性相干转移到X波段的微波输出，并验证了该架构下的变频能力。光学分频系统在紧凑封装形态下实现了显著的相位噪声抑制与良好长期稳定性，验证了光生低相噪微波的工程化路径，为雷达、通信与精密测量等应用提供了更接近实际部署的低噪声光生微波源新路线。

南京大学物理学院赵泽兴博士生为论文第一作者。南京大学谢臻达教授和贾琨鹏副教授、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所梁伟研究员为论文共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重大项目、江苏省自然科学基金等项目和张江实验室的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwag135

文章来源于两江科技评论微信公众号。