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太赫兹噪声源技术综述了热力学、电子学和光子学三种方法在频率覆盖、噪声性能和系统集成上的进展与局限，重点分析了高频率（>500 GHz）应用中存在的性能瓶颈，提出了跨物理机制协同优化的发展方向。
沈一仁|宋长坤|马旭新|李普|王云彩
中国广东省广州市广东工业大学信息工程学院先进光子技术研究所，邮编510006
摘要
太赫兹（THz）噪声源对于高频THz仪器中的噪声系数测量和系统校准至关重要。随着THz系统扩展到亚THz和超THz频段，现有的噪声源技术在频率覆盖范围、输出噪声性能和稳定性方面面临着日益增加的挑战。本文综述了基于热力学、电子学和光子学方法的THz噪声生成技术的最新进展。热力学噪声源具有出色的可追溯性和超宽带覆盖能力，但在高频时的噪声功率有限。电子噪声源可以实现紧凑的设计，并在300 GHz以下保持稳定的超额噪声比（ENR），但其性能受到器件截止频率和更高频段ENR下降的限制。光子噪声源通过利用光噪声下转换技术，在高频下提供更好的性能和较高的ENR，可达400 GHz，但在带宽扩展和集成方面仍存在挑战。本文讨论了关键的设计权衡点和未来发展方向，以指导下一代THz噪声源的设计。
引言
太赫兹频段正迅速成为下一代应用的关键操作窗口，包括遥感、6G通信和高分辨率光谱学[1]。这些系统的性能和可靠性从根本上依赖于准确的噪声特性分析和校准[2]。作为噪声系数测量和系统级验证的主要参考，THz噪声源在诸如星载辐射计的在轨校准、宽带通信链路评估、低截获概率噪声雷达以及多物种气体传感等应用中发挥着不可或缺的作用[3],[4],[5],[6],[7],[8],[9],[10]。随着系统要求不断向更宽的带宽、更高的频率和更好的频谱平坦度发展，THz噪声源正从辅助测量工具演变为限制整体系统性能的关键因素。
现有的THz噪声源主要基于三种物理机制：热辐射、电子载流子波动和光子转换过程。尽管每种方法都取得了显著进展，但其最终性能仍受到其物理基础的限制。热噪声源受温度依赖的辐射控制，具有出色的频谱连续性和计量可追溯性，但需要庞大的低温基础设施和高功耗。电子噪声源依赖于固态器件中的随机载流子动态，具有集成潜力，但在高频时的带宽下降较快。光子噪声源通常基于非相干光混合或光电检测，原则上可以实现宽带操作；然而，其实际性能受到探测器带宽和系统复杂性的限制。尽管机制不同，这三种方法在高频时都面临一个共同的限制：频谱覆盖范围受限。
随着技术向THz频段扩展，这一限制变得越来越关键。最先进的系统已经将工作频率提升到500 GHz以上，包括675 GHz成像雷达[11]、覆盖448–664 GHz的星载辐射计[12]以及大约640 GHz的大气传感窗口[13],[14],[15]。相比之下，当前THz噪声源的最大工作频率仍限制在约390 GHz左右，这在器件操作能力和测量能力之间造成了明显的不匹配[16]。器件操作能力与支持校准基础设施之间的显著不匹配是高频THz系统进一步发展的一个关键技术障碍。
要解决这一挑战，仅仅依靠渐进的工程改进是不够的；需要从根本上理解噪声生成机制及其在高频率下的极限。因此，需要一个统一的视角来系统地分析不同技术方法的演变，识别其内在限制，并探索通往下一代解决方案的潜在路径。在这篇综述中，我们提供了关于THz噪声源技术的全面且基于机制的概述。我们首先研究了计量框架内热噪声源的演变和限制，然后分析了控制电子噪声源及其在高频率下运行的物理机制，接着回顾了光子噪声生成的最新进展，重点关注宽带和高ENR实现。最后，通过比较这些方法的基本限制，我们指出了关键的开阔挑战，并概述了实现高频、宽带和集成THz噪声源的潜在策略。
部分内容摘录
基于热力学的噪声生成
THz噪声生成和计量起源于热力学噪声，这是唯一一种具有与物理温度固定点内在计量可追溯性的噪声形式。除了作为电子和光子技术的主要校准基准外，热力学原理还为整个THz噪声领域提供了一个通用的理论和表征框架。该框架包括等效噪声温度和ENR等关键指标
基于电子学的噪声生成
电子THz噪声生成依赖于固态器件中的非平衡载流子动态，其中散粒噪声是主要的物理机制。这些噪声源的理论框架包括器件特定的现象，如雪崩倍增和产生-复合噪声，以及高频限制，如传输时间效应和寄生网络。
基于光子学的噪声生成
电子噪声源的基本物理限制，特别是前一节讨论的寄生RC衰减和载流子传输时间延迟，要求为高频THz应用寻找替代的技术路径。基于光子学的噪声生成依赖于从光域噪声到电域噪声的下转换过程。如图3(a)中的频率映射机制所示，该架构利用了宽带光熵源
综合性能和方法概述
图4比较了基于热力学、电子学和光子学方法的先进THz噪声源的频率覆盖范围和关键性能指标——即等效噪声温度和ENR。每种方法都有其独特的优势和固有的限制，反映了频率可扩展性、输出噪声性能和系统实用性之间的不同权衡。
热力学噪声源（蓝色标记），基于物理温度的固有可追溯性，
CRediT作者贡献声明
沈一仁：撰写——原始草稿、研究、正式分析。宋长坤：撰写——审稿与编辑、正式分析。马旭新：可视化、监督。李普：监督。王云彩：监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。
资助
本研究部分得到了中国国家自然科学基金（项目编号62531005）和中国国家重点研发计划（2024YFB2808400）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
