基于高效棱镜耦合的氟化镁微腔孤子光频梳产生

微腔孤子光频梳在相干光通信、光学频率合成、激光雷达、微波光子学和量子光学等领域有着广阔的应用前景,高效棱镜耦合是晶体微腔孤子光频梳集成应用及系统封装的必然技术途径。文章研制开发了一种耦合效率和有载Q值分别达到71.56%和1.8×10⁹的氟化镁微腔-棱镜耦合系统,并且基于该高效棱镜耦合系统实现了氟化镁微腔孤子光频梳和15.99 GHz低相噪微波信号产生,拍频信号相位噪声水平约为-117 dBc/Hz@10 kHz,极大推动了低相噪微型光电振荡器的实际应用发展。     

基于集成光频梳的新型微波光子应用 （特邀）

基于光学微腔的集成光频梳具有光谱宽、谱线间隔大、体积小等优势,为微波光子系统带来了新的发展机遇。近年来涌现了多种基于微腔光梳的微波光子应用,包括高质量微波信号产生、微波光子信号处理、真延时微波波束形成等,具有相位噪声低、可重构能力强、奈奎斯特带宽大等优异性能,展现了集成微腔光梳在微波光子领域的广阔应用前景。     

基于宽禁带氮化物的微腔光频梳进展（特邀）

微腔光频梳在光谱测量、微波光子学、光学原子钟和相干光通信等领域具有重要的应用。宽禁带氮化物半导体材料,如氮化铝（AlN）和氮化镓（GaN）等属于非中心对称晶体,具有二阶和三阶光学非线性系数,宽带的透明窗口以及与蓝宝石衬底较高的折射率差,使其成为研究非线性光子器件的理想平台。文中介绍了氮化物微腔的特性,同时对基于氮化物微腔光梳的相关研究进展,包括AlN微腔中的宽谱光频梳产生和光学参量振荡、GaN微腔中的孤子光频梳产生等进行了介绍和展望。     

相干泵浦微腔光孤子基础与双光梳应用（特邀）

光学孤子是指一种通过非线性折射率势阱维持脉冲形状不变的光波,它广泛存在于光纤、飞秒激光器、参量振荡器等系统中。近年来,人们在相干泵浦下的高Q值微腔中也观测到了光孤子,这为研究光孤子性质提供了新的实验平台。又因为微腔光孤子在频域上对应高重频的光学频率梳,微腔光孤子的诞生也极大地推动了小型化光学频率梳的发展。微腔光孤子频率梳已经可以实现自参考锁定;这使得片上集成的光频合成器、光原子钟、波分复用光源、微腔光谱仪、微腔激光雷达等众多应用成为了可能。文中介绍了微腔光孤子的产生基础,特别是光孤子相互作用相关的研究,还讨论了基于微腔的双光梳测量在高速成像与中红外气体光谱分析上的应用。     

基于超高Q值氟化镁晶体微腔的克尔光频梳产生研究

克尔光频梳具有等距分布的梳状光谱结构,在精密测量、光钟、相干光通信、微波和光学任意波产生、光谱学及天文光谱仪校准等方面有着重要的应用。首先,微腔光频梳与其他光频梳系统相比,具有集成性高、体积小、功耗低的优势,大大扩展了光频梳的应用;其次,通过超精密加工方法制备了品质因子Q值达到了4.8×107的氟化镁微腔,并且得到了干净规律、排列规则的谐振谱,自由频率范围为9.73 GHz,为产生低重复频率光频梳提供了条件;最后,根据实验结果结合Lugiato-Lefever方程分析了氟化镁微腔光频梳的产生过程,研究了泵浦功率对光频梳的影响,通过调整失谐参数得到了孤子态光频梳。并且通过色散调控优化了微腔的光场模式,为产生具有超光滑光谱的孤子光频梳创造了先决条件,提升了光频梳性能。     

集成微腔光频梳在精密测量中的应用（特邀）

精密测量是现代物理学的基石,而激光光源的发展直接推动了测量科学与技术的进步。21世纪初,光学频率梳的发明促使人们成功实现最精准的时间/频率标准装置——光学原子钟,推动了绝对光学频率测量、基本物理常数测量、精密距离测量以及分子光谱测量等精密测量技术的发展。然而早期的光梳光源系统复杂、价格昂贵,一般工作于大型实验室里,限制了其应用场景的拓展。近年来,出现了一种新型集成微腔光频梳,其具有体积小、功耗低、可批量制备等优势,吸引了科学界和产业界的广泛关注。不同于传统光梳,这种集成微腔光梳不需要依赖增益介质或可饱和吸收体实现锁模,而是通过高品质因子微腔增强的非线性作用来实现光梳的激发与锁模。这种全新的光梳激发与锁模机制降低了精密光源的体积和成本,在平民化精密测量应用中具有优势。文中介绍了集成微腔光梳在精密测量领域中取得的进展,主要围绕微型化光学原子钟、超快精密距离测量、精密光谱测量三个方向。最后对集成微腔光梳在未来精密测量应用中的机遇与挑战进行了总结与展望。     

光电振荡器北大核心CSCD

依托微波光子学的发展,光电振荡器采用光电反馈环路技术,将激光能量转换为微波信号能量,摆脱了传统微波振荡器随频率升高相噪性能会降低的限制,能以光、电两种形式输出稳定的低噪声信号,成为一种新型的高质量微波信号源。光电振荡器不仅具有一定的可调谐性能,而且能够产生频率从几GHz到上百GHz、Q值高达1010的电信号,具有广阔的应用前景,受到了广泛的关注。文章阐述了光电振荡器的研究现状,对光电振荡器的相位噪声、边模抑制、频率稳定性、频率可调谐性、高频输出、集成化等方面进行简要概括。     

集成电光频率梳研究进展（特邀）

光学频率梳是由一系列离散且等间隔分布的频率成分所组成的光谱结构,作为光谱分析的天然刻度尺,其已广泛应用于光谱学、精密测量、光通信、传感等多个领域。光学频率梳根据其产生技术可分为基于锁模激光器的光学频率梳、克尔微腔光学频率梳、电光频率梳。电光频率梳由于其频率间隔可调、梳齿功率较高、可实现微波到光波的转换等优势,得到了充分发展。但传统电光频率梳的产生器件存在体积大、功耗高的缺点,限制了其进一步应用。随着微纳加工技术的不断发展,越来越多的材料应用于片上集成光学器件,包括硅、氮化硅、氮化铝、磷化铟、铌酸锂、砷化铝镓等。集成电光频率梳器件具有体积小、功耗低等优势,是构建光电集成芯片的重要器件。文中旨在对集成电光频率梳的研究现状进行综述,首先介绍光学频率梳的类型,并详细论述电光频率梳的产生机制;其次介绍产生集成电光频率梳的材料平台、相应的光梳性能指标及其应用;最后基于目前集成电光频率梳领域存在的问题,对未来的研究趋势做出展望。     

高品质因子氧化硅微腔的制备和光频梳产生(特邀)

基于超高品质因子（Q值）和非线性光学微腔产生的光学频率梳（微腔光频梳）在大容量光通信、光学数据中心、光子神经形态运算以及大规模并行激光雷达等方面有着重要的应用。回音壁模式（WGM）微腔是研究微腔光频梳技术的一个重要平台,具有创纪录的超高Q值和超高精细度（Finesse）,能够实现超窄线宽激光、窄线宽光学频率梳,合成超低噪声的光子微波;同时也是研究腔内孤子动力学的重要平台,对掌握孤子态的光学频率梳特性起到了重要的支撑作用。利用二氧化碳（CO₂）激光器熔融氧化硅（SiO₂）石英棒制备了高Q值的WGM微腔。其自由光谱范围（FSR）在10 GHz以上,Q值达到了108。对腔的谐振和耦合理想特性进行了表征,并在开放环境下观察到微腔受潮引起的Q值退化现象,通过二次退火实现了Q值的回升。在SiO₂微腔中验证了基于非线性克尔（Kerr）效应的光学频率梳产生,其主要状态为调整不稳定性主导的低相干频率梳。同时,实验中也观察到了对应于全相干耗散孤子态频率梳的“阶跃”信号,表明目前制备的SiO₂微腔具备实现低噪声孤子光频梳的能力,并具有微腔光频梳的应用潜力。     

低相噪启钥式耦合微波光电振荡器研究北大核心

针对微波通信、雷达、电子战和导航等先进电子系统的应用发展需求,为了实现具有实用价值的极低相噪耦合微波光电振荡信号产生,提出了一种基于Sigma型光纤储能环腔架构的低相噪启钥式耦合微波光电振荡器。该方案通过Sigma型光纤储能技术消除了耦合微波光电振荡器中存在的偏振衰落问题,并且通过有源光纤环腔再生增益特性极大增强了振荡器品质因数,最终实现了10 GHz耦合微波光电振荡器的开机启钥稳定运行,起振信号在10 kHz频偏处的相位噪声达到-139.26 dBc/Hz。     

基于光注入半导体激光器的宽带雷达信号产生及应用（特邀）

由于具有动力学特性丰富、体积小和易集成等优点,基于半导体激光器的信号产生技术已成为高性能微波光子信号产生的优选方案之一。半导体激光器在合适的外光注入条件下能够工作在单周期振荡态,可突破本征弛豫振荡频率的限制,产生频率大范围可调的微波信号;进一步动态地控制注入参数,能够生成宽带可重构的微波调频信号,在雷达领域具有重要的应用前景。文章首先介绍了基于光注入半导体激光器的宽带微波信号生成机理并实验产生了大时宽带宽积的微波线性调频信号,其中心频率、带宽、时宽和工作频段均可灵活调谐;然后,构建了延时匹配光电反馈环路,提升了宽带微波调频信号的频谱纯度和梳齿信噪比等性能参数;最后,基于该高性能宽带微波调频信号发生器构建了微波光子雷达验证系统,分析了其在目标探测与成像方面的性能。     

低相噪光子式微波接收机的研制

首次对微波接收机的相噪进行了理论建模,并提 出了一种基于光子技术的新型微波接收机,该接收机采用微波光子 链路来代替电缆,使用光电振荡器代替电子振荡器来作为本振源,并基于上述理论模型分析 了该种接收机较传统电子式接收 机在相噪指标上的优越性。让10 GHz载波信号分别通过电、光两种接 收机,对比输出信号的相噪情况,实验结果表明:通 过传统电子接收机接收后,载波信号相噪在1kHz频偏增加了30 dB; 而对于本文所提新型光子式接收机,载波信号相噪在 1kHz频偏仅增加10 dB,说明了该种新型接收机在集成了微波光子链 路与光电振荡器两种新型光子技术后,相噪指标得到了显著提高。     

微波光子链路附加于电域相噪的理论研究

随着近些年微波光子学的快速发展,对微波光子链路的相位噪声的关注越来越高,本论文基于直调微波光子链路建立了链路对微波信号产生的附加相位噪声的理论模型。     

光学微腔在微波光子雷达系统中的应用

微波光子雷达通过光子技术辅助可突破传统电子技术瓶颈,实现光子系统集成化是未来微波光子雷达的必然发展趋势。具有超高品质因子的光学微腔得益于其独特的线性和非线性光学特性,可在极小的体积内实现宽带微波信号的光域调控,是集成微波光子雷达系统的关键核心元件,在微波光子滤波、光生微波信号、光子辅助信道化接收和光控波束形成等系统功能单元中都具有重要的应用价值,并且在未来太赫兹雷达、激光雷达等系统中也具有广阔的应用前景。     

Analytical Models for Phase-Modulation-Based Microwave Photonic Systems With Phase Modulation to Intensity Modulation Conversion Using a Dispersive Device

Recently, optical phase modulation has been widely used in microwave photonics (MWP) systems, such as radio over fiber systems, photonic microwave filters, optical microwave and millimeter-wave signal generators, and optical subcarrier frequency up-converters. An optical phase-modulated signal can be converted to an intensity-modulated signal in a dispersive optical fiber. Due to the intrinsic nonlinearity of optical phase modulation, for linear applications such as microwave signal distribution and filtering, the modulation index should be kept small to minimize the unwanted modulation nonlinearity. However, for nonlinear applications such as microwave frequency multiplication and subcarrier frequency upconversion, the modulation index should be large to maximize the frequency multiplication and upconversion efficiency. In this paper, for the first time to our knowledge, we develop a thorough theoretical framework for the characterization of phase-modulation-based MWP systems, in which the phase modulation to intensity modulation conversion is realized using a dispersive fiber. Analytical models for the distributions of single-tone and two-tone microwave signals and for microwave frequency multiplication and subcarrier frequency upconversion are developed, which are verified by numerical simulations. The analytical models for single-tone and two-tone transmissions are further confirmed by experiments. The developed analytical models provide an accurate mathematical tool in designing phase-modulation-based MWP systems.     

微波光子链路中的附加相位噪声分析

针对模拟微波光子链路中附加相位噪声对微波信号相位噪声的恶化问题,详细研究了光链路中白噪声及有色噪声的产生机理,建立了光链路的附加相位噪声理论模型,阐述了附加相位噪声的变化规律,并通过实验证实了模型的正确性。同时针对本振信号的多路光分配典型应用,提出了EDFA 辅助的附加相位噪声优化措施。实验结果表明所提出的相位噪声模型能够有效地应用于微波光子链路,能对附加相位噪声的分析和优化提供理论依据,具有较大的工程指导意义。     

异质集成微波光子器件发展现状

微波光子学利用光子技术实现微波信号的产生、传输、处理及控制,可突破传统微波技术在带宽、传输损耗和抗电磁干扰等方面的瓶颈,提升雷达、电子战等信息系统的综合性能.激光器、电光调制器和光电探测器是微波光子技术中的三种核心光电子器件,其性能对微波光子链路的噪声和动态等指标具有决定性的影响,但基于分立器件的微波光子系统体积、重量较大,难以满足雷达、电子战等系统的阵列化需求,硅基异质集成技术以及高密度低损耗片上光传输互连技术是解决有源器件集成和无源器件集成的关键技术.文章介绍了用于微波光子的硅基激光器、电光调制器、光电探测器和波导的异质集成技术的发展现状,并探讨了集成微波光子技术的发展趋势.     

基于偏置马赫-曾德调制器的微波光子信号倍频

高速光信号源在现代光通信中不可或缺,目前倍受研究者关注。提出了利用一种具有偏置控制的马赫-曾德尔调制器(MZM),采用倍频方案产生高速微波光子信号,并进行了实验研究。通过在MZM 上施加一定的直流偏置引起两臂光脉冲的相位差,使光脉冲发生分裂实现倍频。实验中,利用5 GHz 的射频信号源,成功获得了频率增加一倍的10 GHz 高质量高速光信号。同时,也可以观察到在不同偏置电压下会产生不同的脉冲序列,发现优化偏压是实现高质量倍频的必要条件。该方案可用于产生40 GHz 以上的高频率光脉冲,可广泛应用于高速光通信。