振动噪声"魔幻抵消点"实现超稳微波光子合成技术突破

研究人员针对微波光子振荡器(MWPO)在实际环境中振动敏感的核心问题，通过发现光学频率差"魔幻抵消点"(magic cancellation point)，创新性地实现了22.6 dB振动噪声抑制，将加速度敏感度降至1.5×10-10 g-1，同时保持10 GHz载波在10 Hz/10 kHz偏移频率下-72/-139 dBc/Hz的优异相位噪声。该技术突破为雷达、射电天文等系统提供了兼具超低噪声与环境鲁棒性的新型微波源。

　　

在雷达、通信和精密测量等领域，稳定的微波信号如同"心脏起搏器"般至关重要。传统石英振荡器虽能抵抗环境振动，但其10^-10量级的频率稳定度已接近物理极限；而光学频率分频(OFD)技术虽可实现10^-13量级的超稳微波，却像"温室花朵"般难以承受0.1g的微小振动。这个"鱼与熊掌"的困境，使得光学微波源始终难以走出实验室。

Paul W. Juodawlkis团队在《Nature Communications》发表的突破性研究，揭示了光学频率差中存在类似原子物理"魔幻波长"的振动抵消点。通过将两个布里渊散射激光(SBS)分别锁定在光纤快慢轴正交模式，当频率差精确匹配1.05 THz时，振动引起的折射率变化会产生方向相反的频率漂移。就像精确平衡的天平，这种对称性使得振动噪声在光电转换过程中相互抵消，同时保留光学分频的超低噪声优势。

关键技术包括：1) 10米长光纤谐振腔构建高Q值SBS激光系统；2) 多级电光调制(EOM)产生跨度11.5 nm的光学频率梳；3) 正交偏振双激光锁定实现1.05 THz基线；4) 三维振动平台定量校准加速度敏感度；5) 差频混频技术提取振动免疫的10 GHz微波信号。

【光学差频分频系统】

该系统通过快轴(1548 nm)和慢轴(1556 nm)双激光与EOM梳的差频混频，将振动引起的500 MHz光学频移转化为稳定的100 MHz微波信号，经105倍分频后获得10 GHz输出。

【魔幻抵消点测量】

实验显示在1547.9 nm处Z轴加速度敏感度达1.9×10^-10 g^-1，较基础SBS激光提升13.5倍。X/Y轴敏感度分别达2.2×10^-11和1.8×10^-10 g^-1，验证了偏振模式不对称性产生的抵消效应。

【性能对比】

正交偏振配置下，15 Hz振动响应降至1.5×10^-10 g^-1，且全频谱相位噪声保持-72 dBc/Hz@10 Hz和-139 dBc/Hz@10 kHz，综合性能超越现有微波振荡器技术。

这项研究开创性地证明：通过精确操控光学模式偏振与频率关系，可使微波信号"青出于蓝而胜于蓝"，其振动敏感度反而优于作为参考源的光学谐振腔。这种反直觉的物理现象，为发展下一代抗环境干扰的时频系统提供了全新范式。研究团队指出，未来通过光子芯片集成和波导结构优化，有望将抵消点调控至特定工作波长，并实现振动与温度不敏感的双重抵消，这将彻底改变雷达、深空通信等移动平台对原子钟的依赖格局。