V波段超快可调谐薄膜铌酸锂傅里叶域锁模光电振荡器：实现30GHz扫描带宽的线性调频微波信号生成

《Light-Science & Applications》：V-band ultra-fast tunable thin-film lithium niobate Fourier-domain mode-locked optoelectronic oscillator

【编辑推荐】为解决高分辨率雷达系统中快速调频、大时间带宽积(TBWP)线性调频微波波形(LCMW)生成的技术难题，Ma等人基于薄膜铌酸锂(TFLN)平台研制了首例傅里叶域锁模光电振荡器(FDML OEO)。该器件利用TFLN的快速线性电光效应实现了电调谐超快频率扫描滤波器，成功生成了频率高达65GHz、相位噪声低至-118dBc/Hz@10kHz的射频信号，以及扫描带宽30GHz、啁啾速率5.7GHz/μs、TBWP达159054的LCMW信号。此项工作为高性能集成微波光子系统的开发提供了创新解决方案。

　　

在当今先进雷达和通信系统中，线性调频微波波形扮演着至关重要的角色。这种频率随时间线性变化的信号，特别是具有大时间带宽积的波形，能够显著提升雷达的距离分辨率和探测距离。然而，传统电子学方法受限于电子器件速度，难以实现高频段下的快速频率扫描。虽然光子学方法凭借其高频率、大带宽的天然优势被视为潜在解决方案，但现有技术往往在时间带宽积和相位噪声性能之间难以兼顾。

更令人困扰的是，在光电振荡器系统中，使用长光纤作为储能元件虽然能保证低相位噪声，但长的环路建立时间会严重限制频率扫描速度。这一矛盾如同一个"速度-精度"的权衡难题，一直困扰着研究人员。正是在这样的技术背景下，中山大学Ma Rui团队在《Light: Science & Applications》上发表了突破性研究成果，为这一难题提供了创新解决方案。

研究团队巧妙地将傅里里域锁模概念与新兴的薄膜铌酸锂光子集成技术相结合，研制出首例基于TFLN平台的FDML OEO。该工作的核心技术方法包括：基于X切TFLN的光子集成芯片设计制备，集成马赫-曾德尔调制器(MZM)和电调谐微环谐振器(MRR)滤波器；利用TFLN的快速线性电光效应实现高速频率扫描；采用1.064km单模光纤作为延迟线以降低相位噪声；通过精确控制扫描周期与环路往返时间匹配实现傅里叶域锁模。

固定频率OEO性能表征

研究人员首先验证了器件生成固定频率射频信号的能力。通过向MRR施加-22.5V至22.5V的直流电压，振荡频率可在35-65GHz范围内连续调谐，这是目前片上OEO报道的最高振荡频率。

在65GHz振荡时，模式间隔为7MHz，边模抑制比达到48dB。相位噪声测试显示，在10kHz频偏处，40GHz和50GHz信号的相位噪声约为-118dBc/Hz，显著低于高性能商业信号源。

LCMW生成

当在MRR上施加周期为5.3μs（等于环路往返时间）的锯齿波信号时，系统成功进入傅里叶域锁模状态，生成线性调频微波波形。

测量结果表明，瞬时频率线性度极佳（R²=0.9992），扫描带宽达30GHz，啁啾速率5.7GHz/μs，时间带宽积159054，脉冲压缩比151480，这些性能指标均创下了FDML OEO领域的新纪录。

可重构性验证

该器件还展现出卓越的可重构能力。通过改变锯齿波信号的峰峰值电压(V_pp)，扫描带宽可在1-30GHz范围内连续调节；而通过调节直流偏置电压(V_dc)，中心频率可在45-55GHz间快速调谐。

这种快速重构能力为雷达系统的自适应优化提供了技术基础。

FSK信号生成

研究人员进一步演示了器件的快速频率切换能力，成功生成了2电平FSK（40GHz/60GHz）和4电平FSK（40/46.6/53.3/60GHz）信号，展现了其在数字通信系统中的潜在应用价值。

本研究成功验证了基于TFLN平台实现高性能集成FDML OEO的可行性。与传统的SOI（绝缘体上硅）和SiN-LN（氮化硅-铌酸锂）方案相比，TFLN方案凭借其超快线性电光效应，在振荡频率（高达65GHz）、扫描带宽（30GHz）、啁啾速率（5.7GHz/μs）等关键指标上均实现了显著突破。尽管长光纤的使用在一定程度上影响了系统的紧凑性和稳定性，但通过采用小型化光纤线圈或异质集成低损耗SiN延迟线，这一问题有望得到解决。

该工作的重要意义在于，它不仅为高频段、快速调频微波信号生成提供了全新的技术路径，更展示了TFLN光子集成平台在微波光子学领域的巨大应用潜力。随着集成工艺的不断成熟，这种小型化、高性能的FDML OEO有望在下一代雷达、通信和传感系统中发挥重要作用，推动微波光子技术向更高频率、更快速率、更小体积的方向发展。