基于主动相位稳定的光谱拼接技术实现光学任意波形生成

《Light-Science & Applications》：Optical arbitrary waveform generation (OAWG) using actively phase-stabilized spectral stitching

为解决传统IQ调制受限于电子器件带宽，无法生成超宽带任意光学波形的问题，研究人员开展了基于主动相位稳定的光谱拼接式光学任意波形生成(OAWG)研究。他们通过主动稳定四个光谱切片间的相位关系，成功生成了带宽高达325 GHz的任意光学波形，并实现了320 GBd 32QAM信号的87公里光纤传输，为高速光通信和测试测量提供了新方案。

　　

在高速光通信和精密测量领域，生成任意形状的光学波形是一项核心技术。传统方法依赖于对单一连续波激光进行同相和正交(IQ)调制，其最终能实现的波形带宽，被电子器件的“天花板”牢牢限制——特别是生成驱动信号的数模转换器(DAC)。目前，最先进的DAC带宽通常难以突破100 GHz，这成为了通往更高传输速率的瓶颈。

为了突破这一限制，科学家们提出了光学任意波形生成(OAWG)的概念。其核心思想是“分而治之”：利用一个光学频率梳产生多个相位锁定的光载波，让每个载波独立承载一个较窄的“光谱切片”，最后将这些切片无缝拼接，合成一个超宽带的光学波形。这样一来，波形的总带宽就不再受限于单个DAC，而是由多个DAC的带宽之和决定。

然而，这个看似完美的方案在实际应用中却面临着一个巨大的挑战：相位漂移。由于每个光谱切片都是独立生成并通过不同的物理路径传输，温度变化、机械振动等因素会导致切片之间的相对相位发生随机、缓慢的漂移。这种漂移会破坏拼接的“无缝”性，导致合成的波形失真，无法实现真正“任意”的波形生成。此前的研究要么需要碰运气等待相位关系恰好正确的时刻，要么需要在接收端采用非标准的信号处理来补偿相位漂移，这严重限制了OAWG技术的实用性和应用潜力。

为了攻克这一难题，来自卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)和洛桑联邦理工学院(EPFL)的研究团队在《Light: Science & Applications》上发表了一项突破性研究。他们提出并实验验证了一种基于主动相位稳定的光谱拼接OAWG方案，成功生成了带宽高达325 GHz的任意光学波形，并实现了320 GBd 32QAM信号的87公里光纤传输，创造了该领域的新纪录。

关键技术方法

研究人员构建了一个四通道的OAWG系统，其核心技术方法包括：1. 利用电光调制产生与DAC时钟同步的发射频率梳(Tx comb)作为多载波源；2. 采用波长选择开关(WSS)对梳状谱线进行解复用，并利用IQ调制器阵列对每个载波进行独立调制；3. 设计并实现了主动相位稳定的信号合成单元(SCE)，通过在相邻光谱切片的重叠区域产生干涉信号作为反馈，利用比例-积分(PI)控制器驱动相位调制器，实时补偿相位漂移；4. 结合非切片式光学任意波形测量(OAWM)系统，利用耗散克尔孤子(DKS)微腔光梳作为多波长本振，对超宽带信号进行高保真度接收和重构。

研究结果

主动相位稳定信号合成单元的实现

研究人员设计并实现了两种信号合成单元(SCE)方案，分别基于120°和90°光学混频器。以90°光学混频器为例，其将两个待合成的光谱切片输入，在“零相位”端口输出合成信号，同时在另外两个端口产生与相位误差成正比的误差信号。通过平衡光电探测器(BPD)检测该误差信号，并驱动一个相位调制器，形成一个闭环控制系统。实验结果表明，在开环状态下，由于光纤的相位漂移，合成信号的频谱在重叠区域出现随机的、深达20 dB的凹陷；而在闭环控制下，相位误差被有效抑制，重叠区域的频谱变得平坦，证明了主动相位稳定方案的有效性。

320 GBd传输实验

为了验证该方案的可行性，研究人员搭建了一个完整的传输实验系统。该系统利用四个通道的OAWG发射机，生成了符号速率从80 GBd到320 GBd的16QAM和32QAM信号。在接收端，他们使用了两通道的非切片式OAWM系统进行信号接收。实验结果显示，在320 GBd的符号速率下，16QAM和32QAM信号在背靠背传输和经过87公里单模光纤传输后，均表现出优异的信号质量。其中，320 GBd 32QAM信号在背靠背传输时的星座信噪比(CSNR)达到18.7 dB，经过87公里光纤传输后，仅产生0.5 dB的劣化，证明了该方案在长距离传输中的稳定性。

不同光信噪比下的传输性能

为了进一步评估系统的极限性能，研究人员在背靠背传输条件下，对320 GBd的QAM信号进行了不同光信噪比(OSNR)下的测试。结果表明，在高OSNR下，CSNR饱和在约19 dB，这主要受限于发射机的信号噪声与失真比(SNDR)。通过计算归一化广义互信息(NGMI)，他们得出单偏振64QAM信号在320 GBd符号速率下的可实现信息率(AIR)最高可达1.8 Tbit/s，展现了该技术在超高速数据传输中的巨大潜力。

研究结论与讨论

本研究成功演示了基于主动相位稳定的光谱拼接式光学任意波形生成(OAWG)技术。通过主动闭环控制，解决了多光谱切片合成中的相位漂移难题，首次实现了真正意义上的任意光学波形合成。该方案将光学波形的生成带宽从电子器件的限制中解放出来，实现了高达325 GHz的记录带宽，并成功传输了320 GBd的32QAM信号。

这项研究的意义在于，它为超宽带光信号生成提供了一条全新的技术路径。在高速光通信领域，它使得在单载波上实现Tbit/s量级的传输速率成为可能，为探索超高速传输的物理极限提供了强大的实验平台。在测试测量领域，OAWG技术有望克服传统电子仪器在带宽和信号质量上的瓶颈，成为下一代高性能测试设备的核心技术。此外，该技术还可应用于微波光子学、太赫兹通信和光子-电子数模转换等领域，具有广阔的应用前景。

尽管当前系统仍存在一定的噪声和失真，但研究人员指出，通过优化光学滤波、改进频率梳的载噪比(OCNR)以及采用更先进的DAC和ADC技术，系统性能还有望得到进一步提升。未来，通过将整个系统集成到光子芯片上，有望实现更紧凑、更稳定、成本更低的OAWG系统，从而推动其在科学研究和工业应用中的广泛普及。