研究背景

太赫兹（Terahertz，THz）技术具有丰富的频谱资源和较高的载波频率，在下一代无线通信、高分辨率感知和精密测量等领域具有重要应用价值。特别是在无线通信中，太赫兹频段为提升传输容量和拓展高速无线链路提供了新的技术空间。

高性能太赫兹系统依赖稳定、低噪声的信号源。传统电子倍频方案在频率提升过程中容易累积相位噪声，而部分光子太赫兹方案又依赖超稳参考腔和复杂反馈系统，系统体积和复杂度较高，不利于实际部署。

Kerr 微腔光频梳能够产生多条等间隔、相互相干的光谱线，通过不同梳齿之间的光电拍频可实现从微波到太赫兹频段的相干频率合成。其多谱线特性还为多路相干太赫兹频率梳生成提供了天然基础。然而，如何在紧凑架构下实现稳定、低噪声的微腔光频梳运行，并保持太赫兹频段的相干性，仍是其走向实际应用需要解决的问题。

针对上述问题，本文提出了一种基于低噪声小型化光纤微腔光频梳的太赫兹频率合成器，实现了紧凑型低噪声太赫兹频率合成、多路相干太赫兹频率梳生成及高速无线通信，为构建小型化、多通道太赫兹系统提供了新的技术路径。

导读

面向下一代无线通信、高精度感知和精密测量，高性能太赫兹信号源需要兼顾低噪声、小型化和稳定运行。传统电子倍频方案容易累积相位噪声，而部分光子方案又依赖超稳参考腔和复杂反馈系统。因此，在紧凑架构中实现稳定、低噪声的太赫兹频率合成仍是重要挑战。

本文提出了一种基于低噪声小型化光纤微腔光频梳的太赫兹频率合成器。利用光纤法布里–珀罗谐振器(Fiber Fabry-Perot Resonator, FFPR)，系统实现了稳定的低噪声孤子光梳运行，并进一步实现多路相干太赫兹频率梳生成和高速无线通信。其中，系统完成了16-QAM 和 64-QAM 太赫兹无线传输，并展示了该平台面向多通道高速太赫兹通信的应用潜力。

主要研究内容

论文围绕紧凑型低噪声微腔光频梳光源、太赫兹信号生成与噪声表征与无线通信应用展开研究，系统验证了该光子太赫兹合成器的低噪声特性以及太赫兹通信应用能力。

1. 小型化低噪声Kerr微腔光频梳的构建与表征：

研究团队构建了基于FFPR的小型化 Kerr 微腔光频梳，通过自注入锁定显著降低泵浦激光噪声，并实现稳定的孤子微腔光频梳输出。小型化、低噪声的微腔光频梳光源为后续相干太赫兹频率梳生成及高速无线通信提供了基础。

图1 小型化自注入锁定Kerr微腔光频梳

2. 太赫兹信号生成与噪声性能研究：

为验证微腔光梳在太赫兹频段的相干频率合成能力，研究团队利用不同孤子晶体状态产生高频太赫兹信号，并通过双光梳外差方式进行噪声表征。实验结果表明，系统在太赫兹频段仍能保持良好的相干性。

图2 不同孤子晶体状态下太赫兹频率梳的生成及相位噪声表征

3.太赫兹无线通信系统研究：

研究团队利用微腔光频梳光谱线拍频生成太赫兹信号，并构建了自由空间无线通信链路。系统实现了 16-QAM 和 64-QAM 高阶相干调制传输，在未采用载波相位估计算法的情况下仍获得清晰的星座图和眼图，验证了低噪声太赫兹频率合成平台在高速相干无线通信中的应用能力。

图3 太赫兹无线通信系统及信号表征

4. 多路相干太赫兹频率梳生成研究：

研究团队利用单孤子微腔光频梳产生多条等间隔光谱线，生成多路太赫兹频率梳。实验观测到五路太赫兹频率梳，频率范围覆盖304.40 GHz至384.1 GHz，五路信号均表现出窄线宽和清晰的频谱峰，验证了多路太赫兹频率梳的相干性，为多通道太赫兹通信和并行信号处理提供了可扩展的光子学方案。

图4 多路太赫兹频率梳的生成原理及相干性表征

技术突破与创新点

1. 本文将高品质因子FFPR与自注入锁定相结合，实现了紧凑封装下的稳定低噪声 Kerr 微腔光频梳运行，降低了对大型超稳参考腔和复杂反馈系统的依赖，为相干太赫兹频率梳生成与无线通信提供了小型化光源平台。

2. 面向高频信号本征噪声的双光梳外差测量：针对太赫兹信号相位噪声难以直接测量的问题，本文采用两个结构相同、相互独立的FFPR微腔光频梳产生太赫兹信号，并通过外差下变频获得可测量的中频拍频。该方法避免使用高阶电子倍频链路，并减少额外倍频器和光混频器引入的附加噪声，从而能够更直接地表征光子合成太赫兹信号的噪声性能。

3. 本文进一步将低噪声微腔光频梳产生的太赫兹信号用于高速无线通信，实现了高阶相干调制传输，并验证了系统重复启动后的稳定通信能力，展示了该太赫兹信号面向实际无线通信应用的潜力。

4. 本文利用单孤子微腔光频梳产生多条等间隔且相互相干的光谱线，通过光电拍频实现多路相干太赫兹频率梳生成。不同频率通道均保持良好的相干性，验证了单一微腔光频梳同时提供多路太赫兹信号的能力，为多通道太赫兹通信和并行信号处理提供了可扩展的技术路径。

结论和展望

本文展示了一种基于自注入锁定 FFPR 的紧凑型低噪声 Kerr 微腔光频梳平台，实现了低噪声太赫兹频率合成、多路相干太赫兹频率梳生成以及高速无线通信，并验证了系统稳定、可重复运行的能力。该工作为构建紧凑型、多通道相干太赫兹系统提供了新的光子学方案。

未来，通过进一步提升微腔性能并优化系统集成，有望获得更低噪声、更高效率和更稳定的太赫兹频率梳，并进一步拓展至高容量多通道无线通信、太赫兹感知、相干雷达和精密测量等应用。

论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s44519-026-00012-8

文章来源于PhotoniX微信公众号。