基于超快全场光谱的大带宽实时数据采集技术

主要完成人：张新亮、张驰、陈燎

光电子信息产业是应用广泛的战略高技术产业，也是我国有条件率先实现突破的高技术产业。随着移动互联网、数据中心等宽带网络应用的发展，网络流量呈指数增长。为了满足数据流的增长所带来的巨大带宽需求，实现更高传输速率和更大传输距离的大容量光纤通信系统是当前光通信领域的研究重点。但随着通信线路速率的不断增加，高速大带宽数据信号的探测变得越来越具有挑战性。传统时域示波器中的大带宽模数转换(ADC)芯片是制约系统带宽的核心器件，但高昂的成本和技术限制，是光电子信息领域关键的卡脖子技术。因此，实现光信号的大带宽实时数据采集，对支撑我国光电子信息领域的进一步发展具有迫切的现实需求及技术挑战。

图1 基于重构时间-波长序列的快速高分辨光谱分析技术及核心器件研究

针对高速光通信信号时域探测的带宽限制，及高速模数转换芯片卡脖子的问题，张新亮教授团队通过信号实时频谱的傅里叶逆变换获取时域信号波形，突破时域带宽的限制。该方案的实施需突破两大难点：一是大带宽信号实时频谱的获取，二是频谱相位的同步获取。针对第一个问题，通过时域透镜聚焦技术获取大带宽信号实时光谱，在国家自然科学基金重点项目支持下，团队进行了长期深入研究（图1），通过混合光梳异步光采样和高阶色散补偿技术，在1MHz测量帧率下实现了1pm的光谱分辨率。针对第二个问题，创新性对信号的时域频谱进行啁啾相干探测，突破传统相干探测带宽限制，获取信号实时全场光谱。最终，基于超快全场光谱突破光信号探测带宽限制，实现了带宽大于3THz的实时数据采集，时间分辨率达280fs。

图2 高速波分复用光通信系统频域接收方案实现大带宽实时数据采集 

基于该大带宽实时数据采集技术，在高速光通信平台进行了系统验证（图2）。传统光通信系统接收机受限于探测器及模数转换的带宽限制（<110 GHz），对于波分复用系统的每个波长信道采取单独接收，因此多维度复用需要复杂的复用及解复用模块，及成倍数量的相干收发模块，极大地增加了系统的复杂度。另一方面，通过本项目的大带宽实时数据采集技术，可对大带宽波分复用系统实现低成本的光信道监测，首先通过时域聚焦光谱测量技术同步获取4路波分复用160Gb/s QPSK信号的实时光谱，然后结合啁啾本振光相干探测同步获取时域光谱相位，通过对全场矢量光谱的傅里叶逆变换，便可分别恢复各个波长信道的矢量波形，各信道的星座图及差矢量幅度测试均与商用的测试仪表相吻合（图3）。该方案极大降低了大带宽多信道监测的成本，有望成为未来高速光信道监测的关键技术，同时对光场色散表征、光载太赫兹信号测量、及微腔光频梳孤子动力学等领域的研究具有重要意义。

图3 对4×160 Gb/s QPSK高速波分复用信道的同步实时观测 

2022年以来团队围绕超快光谱测量及大带宽实时数据采集技术发表SCI论文10篇，包括Science Advances、IEEE期刊特邀综述等；授权专利3项，并与中信科集团合作开展应用转化。国家自然科学基金重点项目结题获评优秀：基于重构时间-波长序列的快速高分辨光谱分析技术及核心器件研究(61735006)。