具有极化多样性的非简并四波混频技术，用于实现宽带且可调谐范围宽的太赫兹波产生

极化分集非简并四波混频实现太赫兹宽带信号生成与宽频段调谐，突破传统简并四波混频的谱混叠限制，通过多极化输入分离输出信号，在105-255 GHz覆盖D、G、J频段，实现20倍带宽乘积和60 GHz级宽带信号生成。

刘玉超|杨帆|杨振灿|文卓月|李厚臣|姜浩|陈飞良|刘阳|李沫|张健

电子科学与工程学院，电子科技大学，成都，611731，中国

摘要

太赫兹（THz）波形生成已成为未来无线通信和雷达系统的关键技术。然而，现有方法通常在操作频率、带宽可扩展性和光谱可调性之间存在权衡。为了解决这些限制，我们提出了一种基于偏振多样性的非简并四波混频（ND-FWM）方案用于THz生成。在此工作中，通过两个微波驱动的高阶调制光边带与一个相干单频光源之间的ND-FWM实现了光子频率倍增。通过使用偏振多样性，生成的闲频信号保持了输入信号的正交偏振状态，即使在光谱混叠条件下也能有效分离。该系统以其卓越的带宽可重构性和宽带生成能力而脱颖而出，不仅实现了20倍带宽倍增的THz宽带多波形信号，还能生成高达60 GHz的宽带信号。同时，系统仅受器件带宽的限制，具有150 GHz范围内的跨频段调谐能力（105–255 GHz），覆盖D、G和J频段。这解决了简并四波混频方案中存在的光谱混叠这一关键瓶颈问题。所提出的方法对于广泛的先进THz应用具有前景。

引言

太赫兹（THz）技术在大规模无线通信和高分辨率传感系统中发挥着重要作用，为6G网络、非侵入式成像和精密光谱学等新兴应用提供了所需的丰富带宽和时空分辨率[1]、[2]、[3]、[4]。然而，传统的电子THz生成方法通常依赖于石英振荡器的频率倍增，存在带宽可扩展性有限和频率可调性受限的问题，从而无法满足宽带和宽频调谐THz波形生成的需求[5]。

光子辅助的THz生成通过多种方法取得了进展。利用频率到时间映射（FTM）的光谱整形技术可以实现多GHz带宽和高频率[6]。外部调制方案提供了THz信号的灵活频率可调性[7]。光频移环（OFSL）方案提供了相当的带宽能力[8]、[9]，而采用周期一（P1）振荡的外部注入半导体激光方案可以实现数十GHz级别的带宽和调谐范围[10]、[11]。尽管如此，这些光子方法仍然在操作频率、可实现带宽和频率可调性之间面临权衡。

为了解决这些限制，四波混频（FWM）作为一种有前景的技术被用来生成具有大带宽和宽调谐范围的THz信号[12]。FWM通过非线性光学相互作用将窄带光信号转换为更宽的频率范围，生成的闲频信号保留并扩展了输入光的光谱特性。此外，通过调整输入频率可以实现动态频率调谐。使用级联FWM方案已经实现了7倍和9倍的带宽扩展因子[13]、[14]。在我们之前的工作中，我们报道了一种通过外部调制结合单级FWM过程实现10倍带宽倍增的可调毫米波和THz发生器[15]。然而，这些实现依赖于基本的双光束简并FWM，这需要输入光之间有较大的频率间隔以避免光谱混叠。这一限制将限制宽带信号生成的调谐范围。

在这封信中，我们提出了一种基于偏振多样性的非简并四波混频（ND-FWM）的宽带和宽频调谐THz生成方案。与传统的单级简并FWM不同，ND-FWM通过混合不同的光频率组合产生多个闲频分量，从而实现更高的带宽倍增。与级联FWM方案相比，它具有更灵活的频率调谐和更低的转换损耗。通过对ND-FWM的输入光应用偏振多样性，即使在光谱混叠条件下也能高效提取生成的闲频信号，实现THz宽带信号的连续频率调谐。实验验证了偏振多样性ND-FWM生成THz宽带信号的可行性。具体来说，该系统成功生成了30 GHz带宽的跳频（FH）、阶梯频率（SF）和线性频率调制（LFM）信号，覆盖120–150 GHz的范围。并且通过改变与电驱动信号和调制阶数相关的参数，还生成了覆盖整个60 GHz D频段的THz LFM信号。

原理

ND-FWM是一种光学非线性过程，其中三个具有不同频率的波共传播。如图1(a)所示，两个泵浦光和一个种子光的角频率分别为${\omega }_1$${\omega }_2$${\omega }_3$，产生第四个“闲频”波，其角频率为${\omega }_i={\omega }_1+{\omega }_2-{\omega }_3$。与简并FWM不同，简并FWM中两个相互作用的光具有相同的频率（生成的闲频波的角频率为${\omega }_i=2-{\omega }_2$），ND-FWM在频率转换方面提供了更大的灵活性，因为两个泵浦光具有不同的频率。

实验与结果

图2(a)展示了所提出的光子THz宽带信号发生器的实验装置。ND-FWM过程的泵浦光通过外部调制生成。双驱动马赫-曾德尔调制器（DDMZM）由有限带宽的微波信号驱动，以生成高阶光边带。DDMZM具有超过25 GHz的电学3-dB带宽，半波电压为1.8 V，并在正交工作点下偏置。微波驱动由

结论

总之，我们提出并实验验证了一种新的基于偏振多样性的ND-FWM方案，用于生成THz宽带波形，实现了20倍的光子带宽倍增。通过对ND-FWM过程的输入光应用偏振多样性，该系统克服了传统FWM方案中由光谱混叠带来的限制。所提出的THz发生器实现了THz宽带波形的生成和宽频调谐。

CRediT作者贡献声明

刘玉超：概念化、数据整理、方法论、撰写——原始草案。杨帆：概念化、撰写——审阅与编辑。杨振灿：方法论。文卓月：数据整理。李厚臣：数据整理。姜浩：可视化。陈飞良：验证。刘阳：可视化。李沫：项目管理。张健：监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（62305052、62501119、62501126）、国家重点研发计划（2024YFE0212100、2024YFF0509800）、中央高校基本科研业务费（ZYGX2021J028、ZYGX2024K031、ZYGX2025K031）的支持。我们感谢电子科技大学的耿勇和周恒为我们提供高非线性光纤。