基于正交复用与主动光学相位稳定的光电任意波形生成技术突破200 GBd符号率极限

为解决电子数模转换器(DAC)带宽限制问题，研究人员开展光电任意波形生成(PE-AWG)研究，通过光学正交复用与相位稳定下转换技术，成功实现200 GBd PAM信号生成，信号质量媲美顶尖电子系统，为超宽带信号处理开辟新路径。

　　

随着高速通信、雷达和测试测量等领域对电信号带宽要求突破100 GHz，传统电子数模转换器(DAC)面临电路设计、封装和系统集成的多重挑战。尽管基于先进CMOS和BiCMOS工艺的DAC已实现45-65 GHz带宽，但进一步扩展带宽需依赖复杂的多路复用技术，如时间交织和频谱拼接，这些方法需要宽带射频复用器或混频器电路，设计制造难度大。光电信号处理技术为突破这一瓶颈提供了新思路。

本研究由Christoph Fullner等学者在《Nature Communications》发表论文，提出了一种基于正交复用和主动光学相位稳定的光电任意波形生成器(PE-AWG)。该系统通过将两路带宽为B的实数电信号分别调制到光学载波的正交分量上，生成带宽为2B的光学IQ信号，再通过相位稳定的相干下转换，最终产生带宽加倍的电波形。实验证明，该方案能生成符号率高达200 GBd的多电平脉冲幅度调制(PAM)信号，其信号质量可与顶尖商用电子系统相媲美。

关键技术方法包括：1）采用光学正交复用架构，通过IQ调制器实现频谱扩展；2）基于相位锁定环(PLL)的主动光学相位稳定系统，控制本地振荡器(LO)与信号间相位差；3）数字信号处理算法合成解析信号驱动DAC；4）使用100 GHz平衡光电探测器(BPD)进行相干下转换；5）通过离线DSP进行定时恢复、匹配滤波和自适应均衡。

Photonic-electronic arbitrary-waveform generator(PE-AWG) concept

研究团队提出PE-AWG核心架构：利用两个同步电子DAC分别产生I路和Q路基带信号，通过光学IQ调制生成具有非相关边带的宽带光学信号。关键创新在于将LO tone置于光学信号频谱边缘，通过90°光学混频器(OH)和平衡光电探测器实现相干下转换，理论上可将电信号带宽提升至DAC带宽的两倍。

Active optical-phase stabilization

实验发现光学相位偏移Δφ会严重 distort输出波形。研究人员开发了相位稳定相干组合器(PSCC)，通过低带宽BPD监测相位误差，结合数字/模拟PI控制器和压电相位调制器构成锁相环，将相位偏移稳定在0或±2π的整数倍，确保波形生成稳定性。

Digital synthesis of IQM drive signals

提出数字驱动信号合成算法：首先生成目标波形的离散版本s_n，通过希尔伯特变换构造解析信号A_s,n，经频移后提取实部与虚部分别作为两个DAC的输入信号，确保光学IQ信号满足单边谱特性。

Bandwidth scaling and spectral stitching in the optical domain

展望了通过光学频谱拼接进一步扩展带宽的愿景：采用光学频率梳发生器(FCG)产生多路相位锁定光载波，由多个IQ调制器并行调制后，通过树状结构的PSCC进行频谱拼接，最终通过超宽带BPD下转换，可实现带宽的线性扩展。

Experimental implementation

搭建了基于分立光纤元件的原理验证系统：采用外腔激光器(ECL)产生f₁和f₂=f₁+B两个光载波，通过马赫-曾德尔调制器(MZM)和带通滤波器实现频率搬移，使用Keysight M8194A AWG提供DAC功能，最终通过商用100 GHz InP波导集成BPD实现下转换。

Characterization and performance benchmarking

系统性能评估表明：在LO-to-signal power ratio(LOSPR)=8.3 dB时，能在300 mV_pp输出电压摆幅下获得最佳信噪失真比(SNDR)。BPD臂长失配(0.7 ps)是信号-信号拍频干扰(SSBI)的主要来源，集成化可改善此问题。

Symbol rate sweep

符号率扫描实验显示：在100-200 GBd范围内，PAM4信号的SNDR从21.2 dB降至16.1 dB（采用自适应均衡器）。200 GBd时BER为2.2×10^-3，低于7%开销硬判决FEC阈值(4.5×10^-3)。性能与多数商用AWG相当，仅次于Keysight最新M8199B型号。

Application example: IM/DD fiber transmission experiment

应用验证中：使用PE-AWG驱动100 GHz薄膜铌酸锂MZM，通过强度调制/直接检测(IM/DD)方式，在10.5 km标准单模光纤上实现了200 GBd OOK和190 GBd PAM4传输。PAM4在190 GBd时的BER仍满足15%开销软判决FEC要求，归一化广义互信息(NGMI)达0.9225。

研究结论表明，PE-AWG通过光电融合技术成功突破了电子DAC的带宽限制，首次实现了100 GHz带宽的电数据波形生成。该系统采用的正交复用和相位稳定技术为未来波形发生器带宽扩展提供了新范式，结合光学频谱拼接技术，可通过低速DAC阵列的并行化实现带宽线性提升。该技术有望应用于高速测试测量、太赫兹通信和超短脉冲研究等领域，特别是解决了测试设备行业无法采用先进CMOS节点的产业化瓶颈问题。研究团队指出，通过光子集成电路(PIC)与电子集成电路(EIC)的异质集成，未来可实现芯片级PE-AWG系统，进一步提升性能与可靠性。