利用原生FSR多孤子微梳提升300 GHz传输性能

《IEEE Photonics Journal》：Enhancing 300-GHz Transmission Performance Using Native-FSR Multi-Soliton Microcombs

　　

研究人员实验研究了利用在SiN微谐振器中产生的孤子微梳进行光混频的300 GHz频段太赫兹（THz）传输。与依赖单孤子工作的常规方法不同，本工作聚焦于在300 GHz原生重复频率下运行的多重耗散Kerr孤子（DKS）态。研究证明，多孤子态在保持基频自由光谱范围（FSR）的同时，显著增强了相邻梳线的光功率，从而无需额外设计约束即可实现高效THz产生。利用相同的发射机和接收机架构，研究人员在受控光混频条件下比较了单孤子和多孤子工作。10 Gbps下的传输实验显示，多孤子态降低了噪声基底并改善了比特误码率性能，在BER为1×10^?9时所需光输入功率最多降低1.4 dB。这些结果表明，多孤子微梳是可扩展的强度调制直接检测（IM-DD）THz通信系统中很有前景的光子源。

该论文发表在《IEEE Photonics Journal》，围绕300 GHz频段太赫兹（THz）无线传输开展研究。随着下一代网络数据流量快速增长，传统微波和毫米波频段日益拥挤，275–450 GHz频段已获固定和陆地移动通信业务分配，IEEE 802.15.3d标准也定义了252.72–321.84 GHz的点对点信道，使300 GHz频段成为未来超高速无线链路的重要频谱资源。THz波位于射频（RF）与光域之间，具有极宽带宽和强方向性，适用于数据中心、设备间互连等受控短距离场景。THz产生方式包括电子倍频、原生THz器件和光子下变频；其中基于光混频的方案可与光纤系统、波分复用及梳齿多信道操作无缝兼容。微谐振器光频梳（microcomb）在耗散Kerr孤子（DKS）状态下具有强度稳定、频谱稳定、相位噪声低和相干性高等优点，被广泛用于光子学THz链路。然而，以往基于孤子微梳的THz通信大多采用单孤子态。单孤子态虽然具有平滑且高度相干的谱包络，但内腔能量集中于单个脉冲，单根梳线功率低，必须在光混频前进行强光放大，导致放大器自发辐射（ASE）噪声增大、系统复杂度和信噪比恶化。已有双孤子态仅在接收端用作正交幅度调制（QAM）的本振（LO），并未系统研究多孤子态增强梳线功率及其对端到端THz传输性能的直接影响。完美孤子晶体（PSC）虽然能提高功率，但其有效梳线间距是腔自由光谱范围（FSR）的整数倍，不利于需要相邻原生FSR梳线进行300 GHz光混频的场景。为此，研究人员在本工作中实验验证了以原生300 GHz重复频率运行的多孤子DKS态在THz频段通信中的适用性。与传统PSC不同，该多孤子态并非均匀间隔的孤子晶体，而是在保留相邻梳线间距为300 GHz原生FSR的同时提供更高梳线功率。在调制格式、数据速率和接收配置完全相同的条件下，研究人员直接比较了单孤子与多孤子微梳在THz强度调制直接检测（IM-DD）传输中的表现。

在主要技术方法方面，研究人员采用功率踢变（power-kicking）方法在氮化硅（SiN）微环谐振器中激发单、双、三、四孤子态，并通过Pound–Drever–Hall（PDH）锁定将泵浦-腔失谐稳定在1.20 GHz；利用逆傅里叶变换结合正演拟合确定孤子方位角；搭建10 Gbps非归零（NRZ）IM-DD背靠背波导链路，以窄带滤波器选取两相邻梳线，经单行载流子光电二极管（UTC-PD）光混频产生300 GHz载波，由肖特基势垒二极管（SBD）探测；使用次谐波混频器（SHM）和电谱仪（ESA）测量相位噪声。

在孤子微梳的产生与稳定化方面，研究人员使用FSR为300 GHz、加载品质因数Q=2×10⁶的SiN微环谐振器，通过功率踢变方法启动孤子态，并结合温度稳定和PDH反馈控制维持长期稳定。实验测得，以单孤子态为参考，两相邻梳线的平均功率在双孤子态、三孤子态和四孤子态中分别增加5.65 dB、8.50 dB和9.87 dB；源端选定相邻梳线对相对于本地噪声基底的比值分别约为59.6、66.4、68.0和70.8 dB。这表明多孤子态能系统性提高梳线功率和源端光信噪比（OSNR）。

在孤子方位角的测定方面，研究人员将实测光谱映射到等间隔频率网格并进行逆快速傅里叶变换，从谱强度分布中提取孤子间的相对方位角；由于实测光谱缺少绝对相位信息，还需对候选方位角组合进行正演傅里叶变换并重建光谱，通过与实测光谱比对确定唯一正确的方位角排列。结果表明，双孤子态的相对方位角间隔为65.14°；三孤子态位于66.67°和133.33°；四孤子态位于68.57°、133.71°和202.29°。这些多孤子态虽非均匀分布，但具有明确的角度分布，直接塑造了谱包络并影响后续THz光混频特性。

在300 GHz频段传输实验方面，光前端选取1552.1 nm和1554.5 nm两相邻梳线，用10 Gbps、字长2⁷?1的伪随机比特序列（PRBS）对1552.1 nm梳线进行强度调制，1554.5 nm梳线作为未调制光载波。经放大和偏振控制后进入UTC-PD光混频。与单孤子态相比，进入UTC-PD前的平均OSNR在双、三、四孤子态分别提高6.45 dB、9.27 dB和10.35 dB。在THz波产生与探测中，UTC-PD输出被直接耦合到约1 cm波导，形成背靠背链路以避免自由空间损耗和对准问题。相同光输入功率下，单孤子态THz输出功率比多孤子态低约0.8 dB；当光输入功率超过15 dBm时，UTC-PD饱和使差异减小。眼图、接收频谱与BER性能方面，在UTC-PD光电流固定为6.0 mA时，所有孤子态均获得张开清晰的眼图。以单孤子态为参考，接收电谱噪声基底在双、三、四孤子态分别降低约4.4 dB、6.5 dB和6.8 dB。BER随UTC-PD输入光功率变化的曲线表明，孤子数增加可明显改善BER；在BER为1×10^?9时，所需光输入功率相对单孤子态分别降低约1.1 dB、1.2 dB和1.4 dB。改善最显著的是从单孤子过渡到双孤子态的过程，三孤子和四孤子的额外增益较小，原因是此时链路不再仅受OSNR限制。

在讨论部分，研究人员指出，IM-DD链路中的相对强度噪声（RIN）会影响接收端电噪声。该工作未单独进行逐根梳线的标定RIN测量，而是由端到端接收电谱和BER共同反映源端RIN、ASE噪声、光混频、SBD探测和RF放大的综合效果。若多孤子态存在过量RIN，接收噪声基底会升高或BER会恶化；实验中噪声基底随孤子数增加而降低、BER改善，说明当前工作条件下链路净信噪比提升。相位噪声测量方面，研究人员用次谐波混频器将299.56 GHz RF信号与倍频后的LO混频产生8.68 GHz中频（IF）信号，再经ESA分析。在3 kHz至50 kHz的中间偏移频段，孤子数越少的态相位噪声越低；在10 kHz偏移处，单、双、三、四孤子态的相位噪声分别为?58.28 dBc/Hz、?54.10 dBc/Hz、?52.28 dBc/Hz和?50.40 dBc/Hz。研究人员将这一趋势归因于多孤子相互作用和集体腔动力学导致的脉冲间定时抖动增强。因此，存在功率-相位噪声权衡：多孤子态有利于提升OSNR和IM-DD链路性能，但相位噪声更高；单孤子或少数目孤子态相位噪声更低，更适合相位敏感的高阶QAM或相干系统。

研究结论可概括为：本文实验研究了多孤子微梳作为300 GHz频段光混频THz通信光源的可行性。与有效增大梳线间距并带来设计约束的PSC不同，本工作研究的多孤子态保持原生300 GHz FSR，同时显著增强梳线功率，为高功率、光纤兼容的THz光子发射机提供了实用路径。该工作首次在相同发射机与接收机架构下直接比较单孤子和多孤子工作，测得多孤子态梳线功率相对单孤子提升5.65 dB至9.87 dB，并结合方位角测定解释了非均匀孤子排列如何影响谱包络和THz光混频特性。背靠背链路实验证明所有孤子态均可实现稳定的300 GHz IM-DD传输，多孤子态将BER为1×10^?9时所需UTC-PD光输入功率降低约1.1–1.4 dB。研究还揭示了功率-相位噪声权衡：多孤子态适合幅度型IM-DD系统，而单孤子或少数目孤子态可能更适合相位敏感的相干和高阶QAM传输。总体而言，该工作确立了原生FSR多孤子微梳作为可扩展300 GHz无线链路光子资源的潜力，并为根据梳线功率、OSNR与相位噪声要求选择孤子态提供了实验依据和物理解释。