基于光学微腔孤子频率梳的射频任意波形发生器

射频任意波形合成在无线通信、雷达系统以及电子频域和时域测试中有着广泛的应用。传统的电学任意波形可以利用数字模拟转换器技术来获得。然而，由于数字模拟转换器在转换速度、设计复杂度以及成本上的诸多限制，其能实现的模拟信号带宽日渐难以满足高速无线通讯市场上日益增长的需求。

过去二十年里，与传统的电学方案相比，基于光子学的任意波形发生器在超宽带宽方面展现了其关键优势。这归功于光学载波的超高频率，以及光纤无线电技术带来的低功率损耗和远距离信号传输。其中，已实现的光学技术包含：频域——时域映射法、时域直接合成法、以及频域傅里叶分析法。

然而，这些方法有的依赖于较长的光学波导或光纤，有的则需要低重复率的锁模激光器。这些要求都限制了射频波形发生器在光子芯片上大规模集成的潜力。

为解决以上问题，美国弗吉尼亚大学易煦教授课题组基于可集成的光学微腔孤子频率梳，展示了射频任意波形合成的新方案。该方案为光学芯片上完全集成的任意波形发生器提供了一条可行的途径。相关结果发表在Photonics Research 2022年第4期上。

该团队利用光学微腔双梳产生了射频任意波形，其原理基于傅里叶分析，因其能够提供任意波形在频域和时域的逐一映射关系。微腔孤子频率梳的高重复频率有助于对单个光学频率梳进行逐根梳齿的振幅和相位控制。

研究团队通过使用相同的泵浦激光器产生光学双梳并将它们在光电二极管上作光拍频，可以生成一个具有零包络偏移频率的射频频率梳（图1），其各梳齿振幅和相位由对应的光梳振幅和相位决定。从而，一个完整的离散傅里叶级数得以在频域上构建出来，并可用于合成时域上的射频任意波形。

该实验实现了一系列不同的时域任意波形，包括：可调节高斯波、三角波、方波、以及该课题组所在弗吉尼亚大学的英文缩写——“UVA”波形。值得一提的是，该方法中的所有关键组件，包括光学微腔孤子频率梳、波长复用器/解复用器、强度和相位调制器、光放大器和超快光电二极管，都与光子学集成兼容。

该论文第一作者王北辰表示，“由光学微腔孤子频率梳为基础的技术日新月异，我们很高兴看到其在光子芯片上实现可集成任意波形发生器的潜力。”

相比于传统的电学任意波形发生器方案，光子学系统能提供超高的模拟信号带宽。对于基于微腔双梳傅里叶分析的方法，该系统可实现的最高带宽由光学双梳采样的奈奎斯特频率和光电二极管的带宽决定。其中，光学双梳的奈奎斯特频率可以从几千兆赫兹到几十万兆赫兹，而光电二极管也可以实现几十万兆合资的带宽。

该论文共同第一作者杨子蛟表示，“我们的下一个目标是提高模拟信号带宽。在我们目前的实验中，所产生的任意波形模拟带宽为3 GHz，其受限于我们使用的示波器的带宽。但我们认为有望在未来将其带宽提高至50~100 GHz。”

该课题组利用光学双微腔孤子频率梳，实现了射频任意波形发生器，其在超快无线通讯、雷达系统、电学测试等领域中可以得到广泛应用。此外，该研究不仅提供了微波和毫米波频段利用傅里叶分析波形合成的方案，并为今后基于光子学的片上集成射频任意波形发生器开创了一条可行的途径。