基于大规模光子芯片的脉冲交织器实现低噪声微波生成的技术突破

为解决传统光学频率分频技术中微波生成受限于光探测器饱和及系统复杂性的问题，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）团队开发了一种基于Si3 N4 光子集成芯片的6级脉冲交织器。该器件通过64倍重复频率倍增（216 MHz至14 GHz），将微波功率提升35 dB，相位噪声降低12 dB，为航空航天和通信领域提供了小型化、低成本的解决方案。研究成果发表于《Nature Communications》。

　　

在雷达、通信和计量等领域，低相位噪声微波信号如同精密计时的心脏，其纯度直接决定系统性能。然而，传统光学频率分频（OFD）技术依赖笨重的飞秒锁模激光器（MLL），其百MHz级重复频率需通过复杂倍频才能覆盖GHz微波频段，且光探测器（PD）饱和效应严重制约信号质量。瑞士洛桑联邦理工学院联合团队在《Nature Communications》发表的研究，通过光子集成芯片技术破解了这一难题。

研究团队采用级联马赫-曾德尔干涉仪（MZI）架构，在8.5×1.7 mm²
的Si₃
N₄
芯片上集成6级延迟线（最长33 cm），实现216.7 MHz至13.9 GHz的64倍频率倍增。关键技术包括：1）平衡MZI可调耦合器（50:50分束比±4%精度）；2）低损耗波导（8-10 dB/m）；3）热调谐补偿工艺偏差；4）基于光频梳的延迟误差表征（<2 ps误差）。

结果部分
芯片设计与性能验证
通过双50:50定向耦合器与Ti/Pt微加热器构成的可调耦合器（图2a），在1550±30 nm波段实现精准分光（图2c）。1.5×0.7 μm²
截面波导兼顾模式控制与低损耗（图2e），色散特性（图2f）确保脉冲传输稳定性。傅里叶变换光谱分析显示延迟线误差仅0.09%（图2h），优于手工抛光光纤。

微波生成实验
将217 MHz飞秒激光脉冲输入芯片后（图3a），时间波形显示64个等间隔脉冲副本（图3b）。射频谱中13.9 GHz谐波功率提升35 dB（图3d），寄生谐波抑制>14 dB。相位噪声在1 MHz偏移处达-160 dBc/Hz（图4b），较非交织脉冲降低12 dB，接近连续波散粒噪声极限。

讨论与意义
该研究首次实现全集成化脉冲交织器，其体积比光纤方案缩小两个数量级。通过缓解PD饱和效应，不仅提升微波功率，还利用短脉冲的散粒噪声相关性降低相位噪声。未来与芯片级MLL（如硅基锁模激光器）集成，可推动便携式光学微波源在5G基站、卫星通信等场景的应用。作者指出，进一步优化波导非线性（如200 nm厚Si₃
N₄
）和热隔离设计，有望将频率扩展至太赫兹波段。