紧凑型全光纤Kerr光频梳驱动的近量子极限低噪声太赫兹频率合成与无线通信

研究人员针对高频率微波相位噪声限制的难题，开发了基于高Q值光纤法布里-珀罗谐振腔(FFPR)的紧凑型电驱动Kerr光频梳系统。通过优化噪声模型和腔体设计，实现了10.1-384 GHz范围内接近量子噪声极限的相位性能(-133 dBc/Hz@10 kHz)，并成功演示了无需载波相位估计(CPE)的64QAM调制太赫兹无线通信，创下240 Gbps传输速率纪录。该成果为下一代通信、雷达和传感技术提供了关键器件支撑。

　　

在追求更高数据传输速率的道路上，太赫兹频段因其巨大的带宽潜力成为6G通信的"黄金频段"。然而传统电子技术在高频段遭遇相位噪声剧增的瓶颈，就像试图用颤抖的手绘制精密电路图——虽然画布变大了，但线条却变得模糊不清。光电微波生成技术虽能突破频率限制，但现有基于微环谐振腔的Kerr光频梳受限于小模体积，其相位噪声始终难以媲美传统光学频率梳(OFC)，成为制约高性能太赫兹系统发展的"阿喀琉斯之踵"。

南京大学现代工程与应用科学学院的研究团队另辟蹊径，将目光投向光纤法布里-珀罗谐振腔(FFPR)这一被忽视的平台。通过理论建模发现：在有限泵浦功率条件下，高Q值设计可同时降低量子噪声极限和泵浦噪声影响。研究人员采用特种少模光纤和离子辅助沉积技术，成功制备Q值达6.0×10⁸的FFPR，创下单腔finesse 31,000的纪录。基于此开发的紧凑型电驱动Kerr光频梳系统(85×90×25 mm³)，首次在10.1-384 GHz全频段实现近量子极限的低噪声性能。

关键技术包括：(1)DFB激光器自注入锁定技术，将激光线宽从66.4 kHz压缩至72.2 mHz；(2)少模FFPR精密加工技术，实现112 μm²大模场面积；(3)基于硅片热调谐的孤子晶体态稳定激发方案；(4)UTC-PD光电转换与太赫兹混频检测系统。研究团队建立了完整的噪声分析模型，涵盖量子噪声、泵浦噪声和热折射噪声的相互作用机制。

【紧凑Kerr光频梳封装】系统集成DFB泵浦激光与FFPR谐振腔，通过优化反馈相位控制实现turnkey操作。实验测得单孤子状态10.1 GHz重复频率相位噪声达-133 dBc/Hz@10 kHz，300 GHz太赫兹信号噪声为-95 dBc/Hz@10 kHz，均接近理论量子极限。艾伦偏差在1秒平均时间下低于4×10^-10，展现优异的长时稳定性。

【太赫兹无线通信验证】利用283/303 GHz双光频梳构建的相干通信系统，在40 GBd符号率下实现64QAM调制。独特的"零CPE"架构简化了数字信号处理，实测240 Gbps净速率创太赫兹无线传输纪录。对比实验显示，传统双激光方案因相位噪声导致星座图"环形扩散"，而光频梳系统星座点清晰可辨，误码率(BER)较HD-FEC阈值低两个数量级。

这项研究突破了Kerr光频梳噪声性能的物理限制，建立了从微波到太赫兹频段的统一低噪声生成平台。其创新性体现在：(1)理论揭示高Q值在有限泵浦下的噪声抑制机制；(2)开发出可批量制备的高性能FFPR器件；(3)实现首个电驱动全光纤Kerr光频梳系统。该技术为太赫兹雷达、空天地一体化通信等应用提供了关键源器件，其模块化设计更符合实际工程需求。未来通过进一步提升腔体Q值和集成度，有望在30 GHz基频重复率和毫瓦级功耗下实现更优性能，推动太赫兹技术从实验室走向规模化应用。