在光学和射频应用中，微波频率用途极其广泛，既可用于传输信息，也可用于调制光束。这些应用既需要频率可调谐性，也需要高频谱纯度。商用微波源通常需要在两者之间做出妥协。相比之下，激光器等光学光源具有极低的相位噪声，人们已进行诸多尝试，力求将这种光学纯度扩展到微波领域。电光频率分割（eOFD）就是这样一种新兴技术。
为了协助他们开发新型 eOFD 方案，IMRA America 的研究人员使用了 Moku是 Liquid Instruments 公司基于 FPGA 的设备，提供一套可重构的测试和测量仪器，用于快速、灵活的信号处理和分析。利用 激光锁频/稳频器该团队能够确保其eOFD装置在较长时间内稳定锁定到原子参考源。他们的研究结果是： 最近出版 in 自然通讯 [1]。
面临挑战
光频分 (OFD) 旨在利用低噪声光源（例如激光器）通过频分技术将光谱纯度转换到微波域。这是一项研究较为深入的技术，目前已有多种相互竞争的架构。然而，每种方法都存在显著的缺陷，例如频率调谐困难或噪声过大。这导致了与 OFD 试图解决的问题相同的问题：微波合成仍然需要在可调谐性和相位噪声之间做出权衡。
一种很有前景的光纤频率调制（OFD）候选方案——eOFD，利用微波源驱动电光调制器（EOM），该调制器调制由两个音调组成的光参考信号。使用微波源允许用户选择频率。在一种特定方案中，eOFD信号由光电探测器测量，其输出用于向微波源提供反馈，从而将其频率调整至光参考信号。然而，这种反馈机制再次限制了调谐范围，并且需要较大的环路带宽。IMRA公司尝试了一种新型的方案，即使用前馈噪声消除代替反馈。
解决方案
如图 1 所示，该团队在其 eOFD 装置中实现了前馈噪声消除。首先，来自微波源的信号被分成两条路径。其中一条路径通过电光调制器 (EOM) 调制两个光参考音，然后经过一个光滤波器。这种调制有效地将微波频率倍增到光域，使其可以与参考间隔（两者约为 300 GHz）进行比较。通过精心选择倍频器、参考间隔和滤波器，光电二极管接收到一个包含光参考和微波合成器相位信息的单次拍频信号。然后，将结果除以相同的倍频因子，使其转换回微波域。然而，它仍然包含来自原始源的相位噪声。
研究团队随后将得到的拍频信号与原始微波信号的相位补偿版本混合。这样可以消除原始信号源的相位噪声，只留下激光源的噪声。该方法既保留了微波源的可调谐性，又补偿并消除了其相位噪声。
图 1. 采用固定频率微波源的 eOFD 设置，演示了前馈噪声消除。转载自 [1]。
结果
在已发表的研究结果中，该团队首先使用固定的 10 GHz 信号源测试了他们的方案，结果表明其相位噪声极低。随后，他们使用商用微波合成器代替固定信号源，展示了频率可调谐性。他们测量了 8 至 16 GHz 倍频程范围内的信号。结果表明，信号源在 1 kHz 以上偏移频率的相位噪声被抑制，在高偏移频率下，相位噪声基底降至 -145 dBc/Hz 以下。在这种情况下，延迟补偿和倍频器是固定的，这意味着在调谐过程中无需进行任何调整。然而，通过调整分频器和参考激光器之间的偏移量，或许可以进一步降低噪声基底，从而获得所需的频率信号。
图 2. 锁相环实现，在 eOFD 设置中添加 Moku 激光锁盒和原子参考。转载自 [1]。
微波合成器不仅需要具备可调谐性和低噪声，还必须能够长时间保持稳定。大多数市售微波源都可以与外部 10 MHz 参考频率进行同步，该参考频率通常来自超稳定源，例如铷原子钟。如图 2 所示，该团队采用了这种方法。他们使用 Moku 激光锁相环（一种软件定义的激光锁定模块）实现了一个反馈回路。激光锁相环内置一个振荡器，用作参考频率。该团队将分频器的输出馈送到激光锁相环，使其与参考振荡器的信号混合。由此产生的误差信号传递给激光锁相环的 PID 控制器，该控制器将反馈信号传递给激光器。这个锁相环 (PLL) 控制两个光源的频率间隔，从而保持它们的稳定性。
为了确保长时间内的频率稳定性，研究团队还加入了一个原子参考源，并将其输入到微波源和Moku设备中。如图3所示，采用锁相环和原子参考源后，频率稳定性在数百秒内得到了显著提升。
图 3. 残余频率不稳定性与平均时间的关系。采用 Moku 和原子参考实现锁相环后，稳定性提高了几个数量级。转载自 [1]。
在 Moku 的帮助下，该团队实现了一种混合反馈/前馈 eOFD 架构，该架构具有可调谐、低噪声和长期稳定性等优点。未来，超低抖动微波源有望在电子领域催生新的应用。
案例
[1] Greenberg, J., Egbert, SC, McGrew, WF et al. 具有光学衍生光谱纯度的可调谐微波频率合成。 全国委员会. 17，8027（2026）。 https://doi.org/10.1038/s41467-026-74912-1