在迈向集成微波光子电路的重要一步中，NIST研究人员与多个组织合作，将曾经被桌面束缚的系统缩小为用于GPS，雷达和无线通信的芯片级设备。

在大量连接的设备中，同步可能是一个主要问题。虽然自由运行的微波振荡器在过去已经充分解决了这个问题，但更强大的测量和通信应用需要有效的相位噪声降低和器件之间的同步。据研究人员称，微波光子学可以在此类用例中产生更清晰的微波频率。

NIST及其研究合作伙伴——美国宇航局喷气推进实验室、耶鲁大学、加州理工学院、加州大学圣巴巴拉分校、弗吉尼亚大学和科罗拉多大学博尔德分校——宣布了一种将光转换为微波的光子电路，以改善导航、通信和雷达系统。

每个研究合作伙伴在光子电路原型中都发挥了至关重要的作用。首先，NIST、JPL、弗吉尼亚大学、加州理工学院和加州大学博尔德分校开发了一种微波振荡器，该振荡器利用光学器件相对较高的速度和精度产生微波信号。

他们通过将半导体激光器聚焦到参考腔中并将内部的光频率与腔的尺寸相匹配来做到这一点。这需要完美地拟合空腔壁之间光波的波峰和波谷。光在这些频率上积累了功率，使激光的频率保持稳定。然后，频率梳将稳定的高频光转换为低音调的微波信号。

由加州理工学院设计的两种连续波激光器创造了独特的频率，这些频率与加州大学博尔德分校设计的自注入锁定微谐振器和法布里-珀罗腔“锁定”到位。这些激光器作为参考，在第三台激光器和微梳的帮助下创建两个独特的拍频频率，以创建锁相频率梳。

微梳是该器件的关键组件，产生 20 GHz 间隔的光频率，最终产生微波输出。微梳使用了由UCSB和加州理工学院研究人员设计的双耦合环谐振器。

梳子的输出由许多光频率组成，间隔为 20 GHz。这被馈入改进的单行载波光电探测器，该光电探测器产生20 GHz微波信号。然后，光学谐振器的高Q因数产生了具有极低相位噪声的微波信号。这些微波对于在雷达、通信网络和导航系统等技术中保持准确的定时和同步至关重要。 虽然基于上述工作原理的系统已经存在了一段时间，但它们主要局限于桌面系统。

因此，以前在真实设备中使用这样的系统是不切实际的。然而，在NIST及其合作者的共同努力下，设计人员离在微波应用中使用光学器件又近了一步。

与传统微波电子器件相比，光学微波振荡器的相位噪声要低得多，在100 Hz偏移时低至-102 dBc/Hz，在10 kHz偏移时低至-141 dBc/Hz，表示载波附近的相位噪声降低了50 dB。因此，应用微波光子学可能会改善高精度应用。

据报道，微波光子振荡器可能只是将激光器、调制器、探测器和光放大器集成到单个芯片上的第一步。如果进一步发展，这项研究可以大大简化将灵敏的低噪声信号从实验室转移到雷达技术人员、天文学家、手机信号塔运营商等人手中。