如果把雷达、原子钟和导航系统想成一支高速运转的乐队，微波信号就是其中的“节拍器”。节拍越稳，系统越能分辨细微变化；节拍一旦自己“发抖”，再精密的探测、测量和同步也会被噪声拖住。因此，在雷达探测、精密传感、原子钟以及定位、导航与授时等场景中，研究人员一直追求相位噪声更低、时间抖动更小的微波信号。
近日，美国国家标准与技术研究院、科罗拉多大学、加州理工学院及喷气推进实验室、加州大学圣塔芭芭拉分校、Menhir Photonics等机构的联合团队，提出了一条有些“反直觉”的路线：不是继续把光频梳“锁得更紧”，而是让它自由运行，再用电子前馈方法把噪声从输出微波中抵消掉。该工作发表于Nature Photonics，题为Low-noise microwaves from free-running frequency combs and electrical feed-forward phase noise compensation 的研究。
对精密系统来说，微波信号并不是“有频率”就够了，还要足够稳定。理想状态下，它应该像一只均匀打拍的时钟；真实信号却总会有微小提前、滞后和随机晃动。这些晃动反映在频域，就是相位噪声；累积到时间轴上，就是时间抖动。误差看似微小，却会直接影响雷达分辨、导航授时、原子钟同步等系统极限。
因此，人们开始用光学方法来产生微波。一个直观理解是：两个稳定光学频率点之间相隔很大的频率差；而光频梳像一把“光学尺子”，能把这段差值分成很多等份；其中每一个小间隔落在GHz量级，就成为一个极稳定的微波节拍。换言之，光学频率分频不是把光“直接变成”微波，而是把光学参考的稳定性按比例传递到微波频段。
在低噪声微波生成中，一种重要方案是两点光学频率分频（2p-OFD）。简单来说，2p-OFD会用两个稳定的连续波激光作为“光学锚点”，分别和光频梳中各自附近的梳齿拍频。两个锚点之间相隔约太赫兹量级，中间隔着N个梳齿间距，因此每一个梳齿间距就相当于这段光学频率差的1/N，对应的正是GHz量级的光梳重复频率，也就可以作为低噪声微波信号输出。
这条路线性能很强，但工程上并不轻松。传统方案通常需要对光频梳进行反馈控制——光梳一旦偏离，就通过控制环路把它拉回来。但反馈系统本身也有响应速度、相位延迟和控制带宽的限制；一旦控制跟不上，部分光梳噪声就无法被充分压低，甚至可能在伺服带宽边缘出现“伺服噪声峰”（servo bump）。此外，反馈锁定系统还可能出现“循环滑移”（cycle slip），即相位同步短暂丢失；严重时还会发生“失锁”（loss of lock），需要重新恢复甚至人工干预，影响长期运行。
图1 从反馈锁定到前馈补偿：低噪声微波生成思路的改变（图1展示了从反馈锁定到前馈补偿的思路变化。图1a列出固体锁模激光器、微腔光频梳、电光梳等多类可用光频梳源，说明该方法并不局限于某一种特定器件。图1b对应传统两点光学频率分频方案，需要通过反馈环路控制光频梳重复频率；图1c为本文前馈补偿方案，让光频梳自由运行，并在输出端抵消重复频率噪声。图1d进一步给出两种架构下的预期噪声趋势。）
这项工作的巧妙之处在于，它没有继续追求把光频梳控制得更紧，而是换了一种思路——让光频梳自由运行，再在电学端抵消掉它带来的噪声。
这个思路很像降噪耳机，先“听见”噪声，再产生一个相反的信号进行抵消。对应到这项工作中，被抵消的不是声音，而是自由运行光频梳重复频率带来的相位抖动。具体来说，系统中有两条信息路径。一条路径直接从自由运行光频梳中光电探测出微波信号；另一条路径则利用两个稳定连续波激光与光梳拍频，提取噪声信息并形成补偿信号。最后，两路信号在电学端混频，把光梳重复频率噪声从输出微波中抵消掉。
因此，本文真正改变的是“降噪位置”，不是从源头把光频梳调到尽可能安静，而是在微波输出端抵消它带来的重复频率噪声。
为了验证这一路线，研究团队分别采用了两类紧凑光频梳源：10 GHz重复频率的固体锁模激光器和20 GHz微腔光频梳。这说明该方案并不依赖某一个特殊器件，而是具有更通用的架构意义。
在固体锁模激光器实验中，经过前馈补偿后，10 GHz微波载波的相位噪声在30 kHz 频偏处达到约–155 dBc/Hz，并在1 MHz 测量范围内保持低于–150 dBc/Hz。更重要的是，结果中没有观察到传统反馈控制常见的伺服噪声峰。由于光梳本身并未被反馈锁定，系统也避免了常见的循环滑移或失锁问题，并完成了超过90小时、无需人工干预的连续相位噪声测量。
在微腔光频梳实验中，前馈补偿同样实现了显著噪声抑制。换算到10 GHz载波后，微梳方案也获得了约–145 dBc/Hz量级的相位噪声表现，说明这一路线有望推广到更接近芯片化的微腔光频梳平台。
时间抖动方面，固体锁模激光器方案和微腔光频梳方案分别达到2.9 fs和2.5 fs。把节拍误差压到这个尺度，意味着输出微波已经非常接近一只极其稳定的“节拍器”。
图2 前馈补偿前后：10 GHz微波信号的相位噪声对比（图2展示了基于10 GHz固体锁模激光器的相位噪声测量结果。红线为自由运行光频梳直接光电探测得到的微波信号，蓝线为前馈补偿信号，黑线为补偿后的低噪声微波输出。补偿后，黑线相较红线明显下移，说明重复频率噪声被有效抵消；同时曲线中未出现传统反馈控制常见的伺服噪声峰。）
这项工作的意义，不只是给出了一组漂亮的相位噪声和时间抖动数字。更在于展示了一条更适合工程系统的路线：低噪声光生微波不一定只能依赖复杂反馈锁定，也可以通过电子前馈，在输出端抵消主要噪声。
这样一来，系统不需要为光频梳本身设计复杂高速反馈控制，运行也更鲁棒，可减少伺服噪声峰、循环滑移和失锁等反馈系统常见问题；同时，对光频梳源本身的要求被放宽，未来有望兼容更多便于制造和集成的频率梳设计。
图3 同类芯片级光频梳系统的相位噪声与时间抖动对比（图3比较了本文方案与近年来多种芯片级光频梳的低噪声微波系统。下方曲线展示不同方案换算到10 GHz载波后的相位噪声，上方曲线给出对应的积分时间抖动。本文前馈方案避免了反馈伺服峰并获得更低的整体时间抖动。）
当然，这并不意味着完整芯片级光生微波系统已经一步到位。更准确地说，这项工作向全芯片级光学生成微波系统迈出了重要一步。未来，若结合更紧凑的稳定激光、片上频率参考以及更高功率微梳，这类系统有望进一步缩小体积、降低复杂度，并服务于雷达、精密传感、定位导航授时等应用。
从“锁得更紧”到“抵消得更巧”，这项工作意义不只是更低噪声，更是让超稳微波信号源更接近小型化、长期稳定运行和芯片级集成。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41566-026-01905-3
科学编辑 | 扬扬
编辑 | 徐睿
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