近日，美国科罗拉多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新的光子毫米波生成技术。这种技术能够生成低相位噪声的毫米波信号，极大地推动了通讯和感应应用的发展。该工作以“Photonic millimeter-wave generation beyond the cavity thermal limit”为题，发表在《Optica》期刊上。
在高频毫米波载波领域（30至300 GHz），信号的带宽和数据传输速率显著增加，雷达和感应的空间分辨率也随之提升。然而，要实现这些优点，需要一种既能生成低相位噪声毫米波信号，又结构简单、便于携带的系统。传统方法中，毫米波信号生成受到热噪声极限的制约，难以达到所需的高性能标准，特别是在5G、6G等高速通讯、空间探测、甚至生物医学和安全成像等领域，低噪声毫米波信号的生成是关键。
为了解决这些技术瓶颈，科罗拉多大学团队基于光子集成技术，利用两台硅光子芯片激光器，通过相锁定至微型法布里-珀罗（Fabry-Perot, F-P）腔体的不同轴向模式，提出了一种生成低噪声毫米波信号的全新框架。通过在两个激光信号之间进行干涉，他们生成了118.1 GHz频率下的毫米波信号，其相位噪声在10 kHz偏移下达到-118 dBc/Hz，在30 kHz偏移下则降至-120 dBc/Hz。这一信号不仅突破了热噪声极限，还实现了极低的尺寸和重量功耗（SWaP），使其可广泛应用于便携式的毫米波生成和传感系统中。
图1. 物理概念示意图
技术突破的关键：热噪声关联与模式耦合
热噪声是当前毫米波生成技术中相位噪声的主要限制因素。在传统的毫米波生成方法中，为了降低噪声，通常需要体积庞大且复杂的系统配置。科罗拉多大学团队创新性地设计了一种能够实现“公共模式噪声抑制”的系统，这一设计利用了两个硅光子芯片激光器的相位相锁定。研究团队使用微型法布里-珀罗腔体，该腔体的Q值接近10
在具体实验中，研究人员通过两台分布反馈（DFB）激光器，将其分别与高Q值的Si3N4微腔共振器相连，使每台激光器分别锁定到F-P腔体的不同模式上。这种自注入锁定技术能够有效压低靠近载波的相位噪声，使相位噪声在主载波频率附近得到了显著降低。在腔体中的热噪声波动具备高度的关联性，因此，通过将两束激光信号相减生成毫米波信号，可以有效抵消公共的热噪声成分，实现低噪声的毫米波输出。
光子毫米波生成的新应用
该技术的应用前景十分广泛。毫米波信号因其高带宽和传输速率特性，在5G及未来的6G通讯中有巨大的应用潜力。随着通讯技术朝着更高的频率和更快的速率发展，现有的商用毫米波信号生成器已难以满足低噪声、高性能的要求。除此之外，毫米波技术在高灵敏度雷达、精细的空间探测、非接触式生物医疗感应和安检成像等方面也具有不可替代的应用价值。低噪声、高稳定性的毫米波信号源不仅能增强雷达的分辨率，还能提升成像质量，使非接触生物医学成像、场景识别更加精准。
本次研究的低复杂度与小型化优势，使其极具集成潜力。研究团队提出，通过进一步发展微型F-P腔体和自注入锁定激光器技术，未来可将这些组件集成到单一芯片上，打造真正意义上的芯片级毫米波生成系统。这种新型集成方式不仅能够进一步降低系统体积和功耗，还可以在军事、航空、医疗等便携设备中实现大规模应用。
论文链接：
https://doi.org/10.1364/OPTICA.536549
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