北京大学物理学院现代光学研究所肖云峰教授、杨起帆研究员与龚旗煌院士团队制备并封装了具有超高品质因子的石英棒微腔，进一步实现了超低相噪的孤子微波源，并首次实现了基于孤子微波源的无误码射频通信应用演示。
2022年5月16日，相关研究成果以“基于十亿级品质因子回音壁微腔的孤子微波源”（Soliton microwave oscillators using over-sized billion-Q optical microresonators）为题，在线发表在美国光学学会旗舰期刊《Optica》上。
回音壁光学微腔具有超高的品质因子，自由光谱范围可覆盖GHz到THz，是实现光电融合的重要体系。基于回音壁光学微腔平台的克尔孤子光梳具有重频高、相位相干性强等优势，可用于低相噪高频微波源的合成，在卫星通信、雷达探测等领域具有极大的应用前景。目前，孤子微波源的相位噪声主要受限于微腔的热噪声，增大微腔的模式体积可有效降低热噪声，但同时也会增加系统的功耗，为实际应用带来限制。
针对上述挑战，团队在石英棒上通过激光加工技术制备了超高品质因子微腔，并进行了封装。得益于优化的微纳加工工艺及封装技术，微腔本征品质因子高达4.5×109，从而只需要110微瓦的阈值功率即可驱动参量振荡，相比于同尺寸微腔在功耗上降低了一个数量级。如图1(a)所示。通过相干泵浦微腔，产生锁模的克尔孤子光梳，通过光电探测产生微波源的相位噪声在1 kHz频偏处最低为-107 dBc/Hz，而在10 kHz频偏处可低至-133 dBc/Hz，如图1(b)所示。
图1(a)系统示意图；(b)X波段孤子微波源相位噪声表征图
团队进一步将低相噪孤子微波源作为载波信号展示了其在射频通信中的应用。如图2所示，将分别带有256QAM和1024QAM调制格式的比特信号加载到孤子微波源上，并在接收端测量传输信号对应的星座图，其误差矢量幅度（EVM）分别达到了1.1%和1.26%的优异水平，实现了无误码的信息传输。
图2以孤子微波源为载波的射频通信星座图
论文的共同第一作者为北京大学物理学院2019级博士生姚璐、信息科学技术学院2018级本科生刘鹏，共同通讯作者为北京大学肖云峰教授和北京大学杨起帆研究员。
上述研究工作得到国家自然科学基金、北京市科技计划、北京市自然科学基金及山西大学极端光学协同创新中心等支持。
