导读

中山大学蔡鑫伦团队与光电振荡器发明人河北大学姚晓天团队合作，以“V-band ultra-fast tunable thin-film lithium niobate Fourier-domain mode-locked optoelectronic oscillator”为题在国际顶尖光学期刊《Light: Science & Applications》上发表研究论文，首次基于薄膜铌酸锂（TFLN）光芯片实现了傅里域锁模光电振荡器（FDML OEO）。利用TFLN材料快速线性电光效应，研制出线性快速电调谐扫频微环滤波器，突破了传统热调谐扫频微环滤波器在扫频速度和线性度上的技术瓶颈。生成频率高达65 GHz的微波信号，创造了OEO领域最高输出频率纪录，其相位噪声性能优于商用微波信号源；同时实现了30 GHz扫描带宽的线性啁啾微波（LCMW）信号，这也是FDML OEO迄今报道的最大扫频带宽。该研究成果体现了TFLN在高频、宽带、线性LCMW信号产生方面的巨大优势，对下一代雷达、通信等系统的发展具有重要推动意义。

研究背景

线性啁啾微波（LCMW）是频率随时间线性变化的信号，在雷达、测距和传感中具有广泛的应用，能够精确测量目标的距离和速度。大扫描带宽和高啁啾率能够提高测距的分辨率和测量范围，而高线性度提升信号的精度，低相位噪声则增强抗干扰能力。然而，传统的电生LCMW方法，如电压控制振荡器或数字频率合成器，由于器件速率的限制，难以提高信号频率和带宽；光生LCMW方法虽然具备高频和宽带的优势，但其高频相噪容易恶化。

光电振荡器（OEO）通常利用低损耗长光纤或高Q光学谐振腔存储能量，能够生成高频且相位噪声较低的信号。然而，由于光路回路较长，其模式建立时间也相应延长，导致信号扫描速率受限。为生成快速频率可调的LCMW信号，必须突破模式建立时间的制约。傅里叶域锁模光电振荡器（FDML OEO）引入了傅里叶域锁模机制，通过快速频率扫描滤波器的设计，并采用与回路振荡信号往返时间同步的周期性驱动信号调谐微环，可同时激发大量纵模并维持其固定的相位关系。该机制能够直接产生稳定的周期性啁啾振荡，从而实现信号的快速频率调谐。尽管目前在硅基或氮化硅-铌酸锂平台上已实现FDML OEO，但其扫频滤波器普遍基于热光效应构建，存在调谐速度慢、频率响应非线性等问题，限制了LCMW信号的扫描带宽、啁啾率与线性度。相比之下，TFLN超快线性的电光效应可用于构建线性超快频率扫描滤波器，为FDML OEO生成高性能LCMW信号提供了全新的解决方案。

研究创新

本文展示了一种基于TFLN光芯片的新型FDML OEO（图1）。该芯片集成了马赫曾德尔调制器、电调谐微环滤波器（MRR）以及光分/合束器。工作机制是通过对MRR施加与回路延时匹配的周期性信号，构建高速线性扫频滤波器。信号由上支路未调制的光载波与下支路经MRR选出的调制边带在光电探测器中拍频得到。当MRR选择的调制边带被施加的周期性驱动信号进行扫描时，所产生的射频频率也同步扫描，从而生成LCMW信号。频率调谐范围等于MRR自由光谱范围（FSR）的一半，频率从FSR/2调谐到FSR。

图1. FDML OEO方案示意图

图2：TFLN光芯片微环滤波器性能表征。（a）芯片显微镜照片；（b）微环谐振器的归一化传输谱；（c）谐振波长随直流电压的线性调谐特性

线性快速扫频微环滤波器是最核心的器件，其基于TFLN材料优异的快速线性电光效应设计。如图2b所示，微环的3 dB带宽和FSR分别为875 MHz和70.4 GHz，能够同时实现窄带选模与宽带信号生成。图2c表明，微环的谐振峰波长随外加直流电压的变化呈现出高度线性响应，从而保证了信号扫频过程中的良好线性度。

图3.基于TFLN芯片的FDML OEO系统性能测试结果。（a）40-65 GHz频段下与商用微波源的相位噪声对比；（b）LCMW信号的时频图；（c）4-FSK信号的时频图

图3a对比了基于TFLN的OEO在40、50、60及65 GHz下与商用微波源（Keysight E8257D）的相位噪声。该器件在65 GHz的输出不仅创下了集成OEO的最高频率世界纪录，其相位噪声性能更优于商用参考源，充分证明了TFLN平台在高频、低相位噪声微波生成方面的卓越能力。

如图3b所示，该结构生成的LCMW扫描带宽达到30 GHz，为FDML OEO迄今最大带宽，同时具备极高线性度（≥0.9992）与极快啁啾率（5.7 GHz/μs），充分展现了基于TFLN快速电光效应实现大带宽、高线性频率扫描的潜力，成功克服了传统热调谐扫频微环滤波器在速度与线性方面的限制。

此外，该FDML OEO还表现出优异的快速频率跳变能力。在四电平矩形波驱动下，可生成4频点-频移键控（FSK）信号，在四个频率间快速切换（图3c），进一步证明其在复杂信号生成方面的应用前景。

总结与展望

此项研究成功验证了基于TFLN平台实现集成FDML OEO的可行性。该方案能够在V 频段超高频率下提供超大扫描带宽与卓越的线性度、同时保持高啁啾率与大时间带宽积的LCMW信号，突破了现有其他材料平台的技术极限。这种集小型化、超高频率与超快调谐于一身的TFLN FDML OEO，为未来高速雷达、通信和传感系统提供了关键的技术支持。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01988-7