光电振荡器（OEO）可以产生低噪声的高频微波信号，在无线通信、雷达、精密测量等领域有着广阔的前景。然而，传统的OEO方案大多依赖于分立的光学器件，整个系统在体积、功耗和成本上有较大的局限性，阻碍了该技术的普及。中山大学蔡鑫伦教授团队基于薄膜铌酸锂的集成光子平台，制备了高性能的调制器与高品质因子的微腔，并进一步完成了Ka波段的OEO系统，实现了30 GHz点频以及25~30 GHz可调频率的两种输出。这项工作迈出了利用集成光学手段实现兼具高频率、小尺寸、低功耗和宽调频范围的OEO的坚实一步，为未来OEO的广泛应用打下了基础。
高频、低相位噪声射频信号在各种通信和雷达系统中具有重要地位。光电振荡器已被证明能够产生>75 GHz的频谱纯净的高频信号。这是由于利用低损耗长光纤或具有极高Q值的光学谐振器作为光信号的能量存储介质，能够承载高达数百GHz的射频边带。然而，传统光电振荡器通常基于分立器件，体积庞大、价格昂贵且不便于携带。为了充分发挥光电振荡器的潜力，研究者们将大部分光学器件集成在微小芯片上，具有小型化、低成本、易于制造、高可靠和低功耗等优势。近期，已有研究在绝缘体上硅（SOI）和磷化铟（InP）平台上展示了几种X波段约8 GHz的光集成光电振荡器。然而，这些平台受限于基本材料，难以实现高性能的电光调制器和高品质因子（quality，Q）的能量存储介质，但这两种器件又是实现高频和低相位噪声信号的关键器件。相比之下，铌酸锂因其宽带隙和大二阶电光系数被广泛应用于制造大电光带宽和低半波电压的电光调制器，目前铌酸锂调制器的带宽已经突破100 GHz，半波电压小于1 V。此外，SOI和InP的损耗系数分别为0.27 dB/cm和 2 dB/cm，而薄膜铌酸锂（TFLN）的传输损耗已经达到1 dB/m以下，目前本征Q>108的铌酸锂微腔已有报道。高Q微腔保证了光电振荡器信号的低相位噪声，大电光带宽和低半波电压的电光调制器保证了信号的高频振荡。
针对SOI和InP平台上光集成光电振荡器信号频率低、相位噪声差的问题，中山大学蔡鑫伦教授团队基于前期TFLN调制器的研究积累，联合光电振荡器发明人姚晓天教授创建的河北大学光信息中心设计开发了两种Ka波段TFLN光集成光电振荡器。相关研究成果以“Ka-band thin film lithium niobate photonic integrated optoelectronic oscillator”为题发表于Photonics Research 2024年第6期。
固定频率光集成光电振荡器如图1所示，该振荡器的实现基于集成了马赫曾德尔调制器和add-drop微环谐振器的TFLN光芯片，其信号频率为30 GHz，在距离振荡频率10 kHz偏移处的相位噪声为-102 dBc/Hz。超宽范围频率可调光集成光电振荡器如图2所示，该振荡器的实现基于集成了相位调制器和notch微环谐振器的TFLN光芯片，其信号频率调谐范围为20~35 GHz，在距离振荡频率10 kHz偏移处的相位噪声为-87 dBc/Hz。得益于电光带宽为38 GHz、半波电压低至1.2 V的TFLN电光调制器和高Q值为1.3х106的微环谐振器，该团队实现了Ka波段振荡的高频光集成光电振荡器。
图1 基于集成了马赫曾德尔调制器和add-drop微环谐振器的TFLN光芯片实现的固定频率光集成光电振荡器。（a）方案示意图；（b）光电振荡器和商用微波源30 GHz信号的相位噪声比较；（c）30 GHz信号频谱图
图2 基于集成了相位调制器和notch微环谐振器的TFLN光芯片实现的频率可调光集成光电振荡器。（a）方案示意图；（b）光电振荡器的宽带频率可调范围；（c）光电振荡器信号20 GHz、30 GHz和35 GHz的相位噪声与商用微波源（Keysight: E8257D）30 GHz信号对比
该研究的通讯作者蔡鑫伦教授表示：“尽管TFLN光集成光电振荡器的相噪不如利用长光纤延时实现的光电振荡器相噪低，但该工作是利用TFLN平台制造高频、小尺寸、低成本、宽带频率可调和低相位噪声集成光电振荡器芯片的首次突破，在振荡频率和相位噪声方面都优于SOI和InP光集成光电振荡器。光电振荡器在载波提取、时钟恢复与光采样等领域具有广泛的应用和重要的研究价值。”
该研究的共同通讯作者姚晓天教授也表示：“光电振荡器（OEO）距发明之初已有30年，经过业界同行们的共同努力已经积累了大量的研究成果，但在实用化和工程化方面还有待突破，主要受限于大尺寸、高成本及高功耗等问题。而光子集成，尤其是TFLN光子集成技术的长足进步，为有效地解决这些问题提供了突破口，我们的工作在利用TFLN技术实现OEO工程化的道路上迈出了重要一步。中山大学团队已在TFLN平台上成功演示了半导体激光器和光电探测器，为将所有光学组件异质集成到单个芯片上提供了可能。后续我们将进一步研究如何将分布式反馈激光器、调制器、微环谐振器和光电探测器等所有必要的光学组件集成在单个TFLN芯片上，实现全光集成光电振荡器。最后通过微带线键合将TFLN光芯片与电芯片连接，达成光电全集成OEO的最终目标，使规模化量产成为可能。”
