北京大学在光生微波领域取得重要进展

图1. 双波长激光器

高稳定低噪声微波信号在时频计量、射电天文、雷达导航等领域发挥着不可替代的作用。传统的电学微波合成方式在稳定性和噪声控制方面已逼近技术瓶颈，而基于光电子技术的微波合成方案为突破这一瓶颈提供了新的路径。在众多方案中，由超稳激光与光频梳构成的光分频方案表现尤为突出，该系统将应用于光钟的超稳激光通过光频梳分频至微波，可产生目前已知的稳定性最高、噪声最低的微波信号(团队成员解晓鹏助理教授是此方案的纪录保持者)。然而，现有光分频系统普遍存在体积庞大、结构复杂等问题，严重制约了其实际应用。如何构建紧凑且高鲁棒性的光分频系统，并进一步探索其噪声极限，已成为微波光子领域亟待攻克的重要课题。

近5年，光子传输与通信全国重点实验室的北京大学电子学院微波光子团队与中国计量科学研究院、德国联邦物理技术研究院、北京大学物理学院等团队密切合作，提出了一种基于高相干双波长激光器与电光梳的双点分频法方案，探索了该系统的噪声极限，并取得了纪录性的成果，解决了传统方案在结构复杂性方面的难题。2025年4月29日，相关研究成果以《高相干双波长激光器及其在低噪声微波产生中的应用》(“Highly coherent two-color laser and its application for low-noise microwave generation”)为题，在线发表于《自然·通信》(Nature Communications)。

为实现双点分频法方案的噪声极限，团队采用了PDH稳频技术(如图1所示)，将两台激光器同步至同一超稳光学法布里-珀罗(F-P)腔，使得两台激光器之间的相对稳定性远优于各自的绝对稳定性，最终实现了高相干的双波长激光器。PDH稳频技术被广泛应用于全球计量实验室，能够实现目前已知的最稳定连续激光。过去5年来，团队深入研究并有效抑制了双波长激光器系统中的各类噪声，双波长激光器的相对相位噪声达到-52dBc/Hz@1Hz，归一化至光频的分数频率不稳定性达到2.7E-17@1s，达到国际先进水平。

在高稳定高相干双波长激光器的基础上，团队利用4.2nm的电光梳将双波长激光器的相对稳定性下转换至微波信号的稳定性，实现高稳定微波信号合成。电光梳的使用大大简化了传统光分频系统的复杂性。由于产生微波信号的相位噪声低于所有商用相位噪声分析仪的噪底，团队研制了两套独立的系统进行拍频相位噪声表征。最终产生的25GHz微波信号的相位噪声达到-74dBc/Hz@1Hz，分数频率不稳定性达6E-14@1s，与当前时间频率计量领域最好的氢钟秒稳相当，代表着双点分频法的国际最高水平。

在研究高稳定高相干双波长激光器的过程中，团队掌握了下一代光钟所需的超稳激光锁定技术。除了本工作中用于光生微波的应用外，高相干双波长激光器还被期望应用于高精度干涉仪、CPT原子钟和量子计算等领域。

图2. 电光分频系统结构与微波相位噪声测试结果

北京大学电子学院2020级博士研究生何必博、2022级博士研究生杨嘉川和中国计量科学研究院孟飞副研究员为论文的共同第一作者，解晓鹏和孟飞为共同通讯作者。参与研究工作和论文撰写的还有北京大学微波光子团队的陈章渊教授、张宸博博士，中国计量科学研究院的左娅妮副研究员、林弋戈研究员、方占军研究员，德国联邦物理技术研究院的俞佳良博士和北京大学物理学院的杨起帆助理教授。

团队的前期工作在国际光电子领域顶级会议——2024年激光与电光学会议(Conference on Lasers and Electro-Optics, CLEO)上被遴选为Post-Deadline Paper(PDP)论文报告，在光电子领域具有较大影响力和代表性。2024年度PDP论文共31篇，其中中国大陆仅有3篇入选。

上述成果得到北京市自然科学基金(JQ24027)、国家自然科学基金(62071010，1230030120)、北京大学“仪器创制与关键技术研发”项目的支持。

审核编辑 黄宇