近日，查尔姆斯理工大学的研究团队发表了一项创新研究，宣布他们成功研发出一种超低噪声、相敏感的预放大光接收器。这种设备能够以更少的光子接收信号，为深空到地球的通信等低信噪比通信应用带来了突破性的灵敏度提升。该工作以“Ultralow-noise preamplified optical receiver using conventional single-wavelength transmission”为题，发表在《Optica》上。
简化设计，实现超高灵敏度的光信号接收。
长期以来，光信号接收系统为了提高信噪比，通常依赖于光学预放大器。然而，现有的放大技术通常存在较大的噪声，这在弱信号接收上会导致信息损失。研究团队此次提出了一种新型的单波长光学接收方案，能够实现高达每比特0.9个光子的灵敏度，而无需复杂的双波长调制设置。这种设计极大地简化了传输端和接收端的复杂性，特别适用于需要简单硬件设计的应用场景，如深空通信领域。
将这款新型超低噪声光放大器称为“黑盒”，主要因为它具备“即插即用”的设计理念，与传统相敏光放大器（PSA）的复杂实现方式不同。用户无需深入理解放大器的内部工作原理即可得到低噪声、高灵敏度的信号放大效果。
技术原理：从理论到实践的突破
常规光放大器利用受激发射原理，通常在理论上只能达到3分贝的噪声极限，而相敏光放大器（PSA）理论上可以实现0分贝的噪声限制，即理想的“无噪声”放大。尽管PSA因其在理论上接近零噪声的优势备受关注，但实际应用一直因其实现复杂性而受限。本研究团队提出了一种基于四波混频（FWM）原理的双泵浦相敏放大器，能在-67 dBm的低接收功率下稳定锁相，实现仅1.7 dB的黑盒噪声值，这在以往同类研究中从未实现过。
图1：物理概念与系统示意图。
实现细节具体如下：
1. 双泵浦四波混频放大
研究团队采用了双泵浦FWM结构，这种结构能够生成一个相敏放大信号，同时利用相位锁定技术实现了低至1.7 dB的噪声。传统的PSA通常需要传输端生成信号及其共轭波，这会增加硬件复杂性。而在该设计中，使用单波长输入信号，结合双泵浦实现“黑盒”式放大器。这个双泵浦系统在350米的非线性光纤（HNLF）中进行信号放大，进一步减少了噪声生成的机会。
2. 相位锁定和本地泵浦生成
相位锁定是实现低噪声PSA的关键，但传统相位锁定技术需要额外的光注入锁定（OIL）或光相位锁定环路（OPLL）等技术，往往会增加系统复杂性和功耗。此次设计中，团队采用了一种本地泵浦生成方案，通过锁相环路控制相位变化，从而有效避免了因锁相误差带来的噪声。此外，使用了低噪声激光器（约100 Hz线宽）来生成信号和泵浦，以确保在-67 dBm的低接收功率下仍然能实现稳定的锁相。
3. 调谐泵浦波长和压抑噪声源
在双泵浦PSA中，不同的波长选择会影响到信号的相位匹配和FWM效率。为抑制多余的真空噪声（尤其是由额外生成的虚像波产生的噪声），研究团队通过理论和数值分析，找到最佳的泵浦波长分离（50.5 nm）和信号中心波长（1561.45 nm），这使得FWM可以更高效地传输能量并减少杂散噪声干扰。该设计在选择非线性光纤（HNLF）上进行了优化，使其具备宽带的无噪声传输特性。
4. 抑制布里渊散射（SBS）
高功率泵浦会导致受激布里渊散射（SBS），影响PSA的增益并增加噪声。为此，该设计中利用了三种不同频率的相位调制方案来抑制SBS。这一方案不仅能提升泵浦稳定性，还能在不影响放大效率的情况下，实现高达30.1 dBm的泵浦功率输入。
5. 黑盒式设计：简化系统集成
该设计的目标是让PSA能作为“黑盒”设备集成到光通信链路中。系统中，单波长激光和外调制器发送信号，通过损耗信道进入PSA后，PSA即可将信号放大至接收机的最低噪声要求。这种设计能兼容多种调制方式，例如二进制相移键控（BPSK）和正交相移键控（QPSK），以满足不同通信需求，而不需额外硬件调整。
突破与挑战：从实验室到实际应用
尽管这一创新方案在实验室中取得了突破性进展，但仍需克服诸多挑战才能广泛应用于实际中。该PSA需在特定波长范围内操作，才能实现低噪声放大，未来可能需要优化波长范围。研究团队表示，下一步他们计划将该方案集成到硅氮化物芯片中，以扩展低噪声放大器的带宽。此外，进一步优化激光器的相位噪声性能，将有助于提升系统的稳定性和带宽
论文链接：
https://doi.org/10.1364/OPTICA.539544
