研究團(tuán)隊在超大帶寬實(shí)時光學(xué)矢量示波器方面取得重要進(jìn)展

2023年5月5日，《Science Advances》在線發(fā)表了華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心張新亮教授研究團(tuán)隊題為 Real－time Fourier－domain optical vector oscilloscope 的研究論文。該研究提出了一種超大帶寬的實(shí)時光學(xué)矢量示波器，將測量帶寬拓展至3THz，實(shí)現(xiàn)了多通道高級調(diào)制格式信號的同步全光場探測，對未來高速相干光通信的實(shí)時探測和光學(xué)性能監(jiān)測具有重要意義。

近年來，隨著實(shí)時視頻通話、虛擬化數(shù)據(jù)中心等寬帶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的發(fā)展，數(shù)據(jù)量呈爆炸式增長。為滿足數(shù)據(jù)流的增長所帶來的巨大帶寬需求，實(shí)現(xiàn)更高傳輸速率和更大傳輸距離的大容量光纖通信系統(tǒng)是當(dāng)前光通信領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。同時，對于高速信號探測的研究也在同步發(fā)展。實(shí)時示波器是分析高速信號的重要儀器，對于光學(xué)性能監(jiān)測、超快現(xiàn)象研究及高速光通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測都有著重要的作用。然而，由于電學(xué)帶寬的限制，目前商用實(shí)時示波器最高可達(dá)110GHz帶寬。采用多通道相干合成的方案，可實(shí)現(xiàn)百GHz的等效實(shí)時帶寬，但系統(tǒng)復(fù)雜。基于異步采樣方案能大幅提升測量帶寬，但僅適用于重復(fù)性周期信號，通常用于光學(xué)性能監(jiān)測等應(yīng)用，例如商用化的通信信號分析儀或眼圖分析儀。通過時域透鏡放大時間軸來降低對于探測帶寬的需求，可探測非重復(fù)性、大帶寬信號，但難以觀測信號的相位信息。因此，面向高速信號的探測技術(shù)對于提升測量帶寬、提高測量速率和增加測量信息維度具有迫切需求。

圖1．（A）光發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)超過100Gbaud的符號速率和多路復(fù)用信道示意圖；（B）傳統(tǒng)多路復(fù)用信道探測原理示意圖；（C）基于傅里葉變換的實(shí)時光學(xué)矢量示波器原理示意圖。

針對上述難題和需求，張新亮教授研究團(tuán)隊張馳教授等人提出了一種基于超快光譜技術(shù)的大帶寬實(shí)時矢量示波器，能夠同時滿足超寬帶、高分辨和全光場測量的要求，其原理如圖1所示。該系統(tǒng)結(jié)合啁啾相干探測技術(shù)，其中啁啾的本征光頻－時映射關(guān)系與色散傅里葉變換的頻－時映射關(guān)系相同，因此相干接收機(jī)探測可以覆蓋整個光譜范圍，極大地降低了對于電學(xué)探測帶寬的需求，并同時捕獲信號全光場（強(qiáng)度和相位）信息。在DSP中重構(gòu)待測信號的頻譜全場信息和大帶寬時域全場信息。該實(shí)時光學(xué)矢量示波器在520ps的記錄長度上實(shí)現(xiàn)了280fs的分辨率，其中時間記錄長度與分辨率比值達(dá)1857，是單幀測量技術(shù)所取得的最大值。首次實(shí)現(xiàn)了對多路波分復(fù)用高級調(diào)制格式信號（4×160 gigabit／s QPSK）的同步實(shí)時觀測（圖2），預(yù)示著該系統(tǒng)在波分復(fù)用系統(tǒng)應(yīng)用中的巨大前景。

圖2．同步觀測多路高級調(diào)制格式波分復(fù)用信號。（A）超快光譜系統(tǒng)獲得的4×160 gigabit／s QPSK信號的光譜和光譜儀測量的光譜；（C）多幀重構(gòu)的四信道QPSK信號的星座圖；（D）光調(diào)制分析儀測量的星座圖。

本文報道的超大帶寬實(shí)時光學(xué)矢量示波器具有大帶寬、超快幀率及高魯棒性等優(yōu)勢，為實(shí)現(xiàn)高速矢量信號測量探索了新的思路。同時其結(jié)構(gòu)復(fù)雜度低，有望結(jié)合硅基光子學(xué)的優(yōu)勢，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)片上集成的超大帶寬實(shí)時測量系統(tǒng)。

該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃及國家自然科學(xué)基金等項目的資助。華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心博士生李侖和張馳教授為論文共同第一作者，華中科技大學(xué)張新亮教授、張馳教授和國家信息光電子創(chuàng)新中心肖希博士為論文共同通訊作者。論文第一單位為華中科技大學(xué)。香港大學(xué)Kenneth Kin－Yip Wong教授、中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）李響教授、國家信息光電子創(chuàng)新中心張紅廣博士、華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心碩士生蔡宇翀及博士生李耀帥為共同作者參與相關(guān)工作。

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審核編輯 ：李倩