国内研究团队提出一种基于硅基集成的可调谐PT对称OEO的新方案

高质量的微波信号源是通信、雷达、电子测量等系统中的核心器件，微波信号的相位噪声会直接影响系统的性能。由于电子器件性能的限制，传统的电学方法很难产生具有良好相位噪声特性的高频微波信号。而具有光电混合腔的光电振荡器（Optoelectronic oscillator，OEO）可以很好地解决这个问题。为了充分发挥OEO的工作潜力，利用微波光子滤波器代替电滤波器实现模式选择，能够实现输出信号频率的调谐。因此，OEO是一种可以产生宽带可调谐、低相位噪声的一种光生微波技术，可以更好的满足实际的应用需求。

宇称时间（Parity-Time，PT）对称理论起源于量子力学并逐渐发展到其他领域。近年来，PT对称由于具有强大的模式选择能力而备受关注。基于分立器件搭建的PT对称OEO，需要构建两个结构完全一致的反馈环路，增加了系统的复杂度并且对环境扰动极其敏感。随着光子集成电路的发展，OEO的集成化已然成为未来发展的必然趋势。与其他材料平台相比，硅基材料具有成本低、集成度高、损耗小、并且工艺成熟，有利于大规模集成。此外，硅基光子集成与CMOS工艺兼容，可在硅基衬底上同时制备光器件和高速集成电路，是实现单片集成OEO的最具潜力的方案。

半导体新闻网消息，近日，华中科技大学张新亮教授、于源副教授团队提出了一种基于硅基集成的可调谐PT对称OEO的新方案。在绝缘体上硅（SOI）上集成了微波光子滤波器、PT对称的选模结构以及光电探测器，实现了微波信号的选择、探测、和调谐功能，最终OEO实现了稳定的单模振荡以及输出微波信号频率的调谐。相关研究结果以“On-chiptunable parity‐time symmetric optoelectronic oscillator”为题，发表于Advanced Photonics Nexus2023年第2卷第1期。

为了解决模式竞争的问题，研究人员将微波光子滤波器与PT对称选模结构相结合，实现了单模起振的片上PT对称OEO。如图1所示，在片上集成高Q的跑道型微环，基于高Q微环的微波光子滤波器3dB带宽约为187MHz，用来实现模式的初步选择以及输出频率的调谐；通过操控片上马赫-曾德尔干涉仪（MZI）一臂上的分光比，就可以精细地调控两个环路中的增益和损耗，从而实现PT对称的不同状态。

基于图1所示芯片搭建了光电振荡器系统。当不满足PT对称时，闭合OEO回路，OEO处于多模振荡状态，如图2(a)所示。多模振荡电谱的细节图表明OEO环路的模式间隔为4MHz。通过调整施加到MZI的电压可以平衡增益和损耗，使增益最大的模式实现PT对称破缺，从而获得稳定的单模振荡。图2(b)显示了中心频率为13.67GHz的单模振荡的微波信号。插图显示了频谱范围为100MHz，分辨率带宽为300kHz的电谱，此时的边摸抑制比超过45dB。此外，在相同频谱范围和分辨率带宽下的多模振荡和单模振荡的电谱如图2(c)所示。当PT对称破缺发生时，主振荡模式的功率增加了2.6 dB，而两个相邻的边模功率分别被抑制了37.6 dB和40.0 dB。根据实验结果进一步验证了PT对称的模式选择特性和增益增强特性。

通过调节微波光子滤波器的中心频率可以实现输出频率的调谐。通过改变激光器的波长，微波信号的频率可以在0到20 GHz范围内调谐，如图3(a)所示。微波信号的频率调谐范围主要受限于微环的自由光谱范围。输出微波信号的相位噪声如图3(b)所示。对于频率分别为4.97 GHz和13.67 GHz的微波信号，在10 kHz频率偏移下的单边带相位噪声分别为−83.42和−80.96 dBc/Hz。该系统的成功演示对进一步开发单片集成的OEO具有重要意义。

该工作基于SOI平台实现，通过结合微波光子滤波器和PT对称实现了稳定的单模振荡的OEO。这为OEO模式选择提供了新思路，对进一步实现单片全集成OEO具有重要的研究意义。相关的研究成果在雷达、无线通信系统以及电子战等方面既有潜在的重要应用。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和华中科技大学学术前沿青年团队科研项目的资助。

图1. 芯片结构示意图。

图2. (a)多模振荡电谱图，插图为Span为20 MHz，RBW为100 kHz的电谱细节图；(b)单模振荡电谱图，插图为Span为100 MHz，RBW为300 kHz的电谱细节图； (c) Span为10 MHz，RBW为50 kHz下单模振荡与多模振荡对比电谱图。

图3. (a) PT对称OEO输出频率调谐电谱图；(b)不同频率的微波信号相位噪声谱。

来源：武汉光电国家研究中心