光梳打造極高精度GHz射頻振盪器

在光學/光子學與射頻(RF)領域之間，人們時常感受到一道難以跨越的鴻溝，而夾在兩者之間的太赫茲(THz)頻段看似劃出了天然界線。當需要在光子世界與RF世界之間轉換時，工程師通常仰賴各類電光元件，包括發光二極體(LED)、光電探測器等。然而，隨著技術演進，現今大部份的光學系統已能在高頻段執行許多電子電路難以勝任的任務，並在部份應用上逐漸取代傳統電子方法。

近年來，整合光子學(integrated photonics)的突破，有效縮短了這道跨域鴻溝。透過在鈮酸鋰(LiNbO₃)等光學友善材料上實現雷射、波導、可調諧元件、濾波器與分光器，光子功能正以前所未有的方式被整合。如同Ayar Labs開發的晶片整合式收發器與互連便是代表性案例，展現了單晶片或堆疊晶片電光元件的驚人能力。

然而，除了整合之外，電子與光學還透過另一種方式展現出強大的協同效應，而這正是光學頻率梳(optical frequency comb；OFC)所引領的技術革命。這種光頻梳(亦稱光梳)誕生於約25年前，並讓John Hall與Theodor Hänsch在2005年獲得諾貝爾物理學獎。

它最初被用於計數光學原子鐘的週期，以及執行極高精度的雷射光譜學。但其應用範圍很快大幅擴展，因為光梳在光學頻率下擁有卓越的相位穩定性，可用於調諧或作為本地振盪器(LO)。如今，光梳已成為多種研究與產業的核心工具，應用包括：X光與阿秒脈衝生成、石油與天然氣領域的微量氣體感測、利用原子鐘進行基礎物理測試、長距離光鏈路、原子光譜儀校準、光纖或自由空間中的精準時間/頻率傳輸，以及高準確度測距等。

光梳的角色並不限於光學領域。近期研究展示如何利用其驚人的頻率精準度產生10GHz等級、極高度穩定的RF載波。更關鍵的是，在降頻轉換的過程中，光訊號中的相位抖動會被進一步降低，使最終產生的RF本地振盪器表現優於原始光梳本身——這是一種極不直覺、但效果顯著的技術路徑。

乍看之下，光梳轉RF的架構(圖1)似乎僅是標準的異頻混合流程，但其背後的設計遠比示意圖更為精密。

圖1：兩個半導體雷射透過注入鎖定晶片上的螺旋諧振器。研究團隊以溫度控制方式，使螺旋諧振器的光學模式與高精細度Fabry–Perot(F-P)腔的模式對準，以進行Pound–Drever–Hall(PDH)鎖定。微型光梳在耦合的雙環諧振器中產生，並與兩個穩定雷射進行外差比較，使拍頻訊號得以混頻產生中頻(f_IF)，再藉由反饋鎖定到光梳種子雷射的電流供應。最後，利用改良型單程載流子(MUTC)光電探測器將光梳輸出轉換為20GHz微波訊號，而此類探測器可響應高達數百GHz的頻率。

(來源：Nature)

然而，這些過程的真實複雜度遠高於此簡化的原理圖。圖2提供了更完整的技術視角。

圖2：兩個位於1557.3nm與1562.5nm的分佈式反饋(DFB)雷射被自注入鎖定(SIL)至Si₃N₄螺旋諧振器，並與同一個微型F-P腔鎖定。耦合環諧振器產生一個6nm寬、約20GHz重複率的微型光梳，透過整合式DFB雷射播種並經自注入鎖定。光梳經陷波濾波器去除中心線後放大至60mW，並分束與PDH鎖定的參考訊號拍頻，兩組拍頻訊號經混頻後生成f_IF，最終再將部份光梳訊號導入MUTC探測器，以取得低相位雜訊的20GHz RF輸出。

(來源：Nature)

目前，這類系統尚無法完全以單晶片形式實現，也不是少數離散元件即可組成。許多精準功能只能在不同基板上實作，因此一套高性能系統仍需要一台機架尺寸的機箱，佔用一個機櫃單元。然而，近年來晶片整合技術的進步驚人，多項功能正逐步被整合至單一基板。若在未來十年，甚至更短時間內看到近乎單片式的光梳RF系統問世，將毫不令人意外。

但要衡量這些系統的性能本身就是挑戰。計量學的經典困境再次浮現：當測試對象本身極其精準，該如何確保測試架構也具備足夠精準度？

在一項測試中，研究人員測得10GHz載波在100Hz偏移下的相位雜訊為−102dBc/Hz，而在10kHz偏移時則降至−141dBc/Hz。另一項特性分析比較其性能與其他技術平台(圖3)。

圖3：比較不同微型光梳平台在產生等效10GHz載波時的效能，並依據光梳產生器與參考雷射的整合程度分類，不包含其間的光／電互連部份。實心與空心標記分別代表採用光學分頻(OFD)與獨立微梳架構的系統。標記的系統包括22GHz二氧化矽微梳(i)；5GHz氮化矽(Si₃N₄)微梳(ii)；10.8GHz Si₃N₄微梳(iii)；22GHz微梳(iv)；氟化鎂(MgF₂)微梳(v)；100GHz Si₃N₄微梳(vi)；光纖穩定的22GHz SiO₂微梳(vii)；另一組MgF₂微梳(viii)；以超穩雷射驅動的14GHz MgF₂微梳(ix)；以及14GHz微梳式轉移振盪器（x）。

(來源：Nature)

目前已有許多高品質的研究深入探討光梳在RF載波生成上的技術，包括《Nature》的“Photonic chip-based low-noise microwave oscillator”、《Optics Letters》的“Compact and ultrastable photonic microwave oscillator”，以及《Photonics Spectra》的“Photonic Microwave Sources Divide Noise and Shift Paradigms”等重要文獻。

在某些層面上，當今的先進光子學與傳統RF訊號處理世界之間似乎存在一種「亦敵亦友」的微妙關係。然而，技術演進的歷史一再證明：最優秀的解決方案往往是跨領域協作的產物。光子學與電子學各自擁有無可替代的特性，而它們的深度整合將持續推動全新的功能與應用，許多我們今日尚難以想像的技術，極可能就在這類跨域融合中誕生。

(原文參考：Optical combs yield extreme-accuracy gigahertz RF oscillator，by Bill Schweber)

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