近日，北京大学“极端光学创新研究团队”杨起帆研究员联合北京大学长三角光电科学研究院“微纳光学精准检测团队”在《自然·光子学》（Nature Photonics）发表题为“微腔参考具有仄秒级定时抖动噪声的孤子微梳”（Microresonator-referenced soliton microcombs with zeptosecond-level timing noise）的研究论文，实现定时抖动噪声达仄秒级（1仄秒=10^-21秒）的光子学微波振荡器。该突破性成果采用的核心器件-小型化回音壁式氟化镁（MgF₂）光学参考微腔，由我院微纳光学精准检测研究室全流程制备封装。其超高品质因子和低热折变噪声特性，为系统突破传统噪声极限提供了关键支撑。

以下文章来源于北大物理人：成果 | 杨起帆课题组在低噪声微腔光学频率梳领域取得重要研究进展

在5G通信、量子传感及高分辨率雷达等领域，低相位噪声、高频率微波信号的需求日益迫切。然而传统电子学微波振荡器受限于电线电感和电子延迟等因素影响，难以实现高频与高纯度的微波信号。与此同时，光子学微波振荡器则由于其体积小、抗电磁干扰和高频微波生成潜力等优势受到越来越多的关注。

在光子学微波振荡器领域，光学频率分频（Optical Frequency Division, OFD）技术因其低噪声的独特优势备受关注。其核心原理是通过将光学频率梳锁定至参考激光，把参考激光光学波段的高相干性与稳定性传递至光梳重频对应的微波频段，从而生成超低噪声微波信号。然而，传统光学频率分频系统通常依赖体积庞大的法布里-珀罗参考腔与复杂的光频梳装置，导致其严重依赖实验室环境（恒温、隔振甚至真空），且存在成本高昂、体积大和功耗过大等问题，严重限制了实验室外场景的应用。为解决上述问题，研究团队使用图1所示小型化的回音壁式MgF₂参考腔来锁定激光，利用集成Si₃N₄微腔来产生光学频率梳，并采用“两点锁定”的方案来进行光学频率分频。该方案大大减小了系统的体积、功耗，为推动光学频率分频系统实际应用迈出了关键一步。

图1. 基于光学微腔的光学频率分频。a, MgF₂参考光学微腔实物图片。b, Si₃N₄非线性光学微腔实物图片。c, “两点锁定”光学频率分频原理图。

具体的方案如图2所示，将两束参考激光通过Pound-Drever-Hall方法锁定到同一MgF₂参考腔。得益于MgF₂参考腔的高品质因子和低热折变噪声特性，以及两束激光共锁至同一参考腔所带来的共模抑制效应，两束参考激光之间的相对相位噪声将会得到显著抑制。使用连续激光泵浦集成 Si₃N₄微腔可产生孤子光梳，提取参考激光与邻近光梳梳齿的拍频并进行混频即可得到光梳锁定的误差信号，通过伺服系统反馈泵浦激光的频率即可实现光梳的锁定，将锁定后的光梳耦合到光电探测器上即可合成微波信号。最终，团队基于小型化的光学频率分频系统合成的25GHz频率微波相位噪声在10kHz偏移频率低至-141dBc/Hz，在10Hz偏移频率处低至-85dBc/Hz。

图2. 光学频率分频实验与结果。a,光学频率分频实验简图。b,自由运行（蓝）、锁定后（红）的孤子光梳重频相噪以及参考激光投影噪声（绿）的测量结果。