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2023年5月5日，《Science Advances》在线发表了华中科技大学武汉光电国家研究中心张新亮教授研究团队题为 Real－time Fourier－domain optical vector oscilloscope 的研究论文。该研究提出了一种超大带宽的实时光学矢量示波器，将测量带宽拓展至3THz，实现了多通道高级调制格式信号的同步全光场探测，对未来高速相干光通信的实时探测和光学性能监测具有重要意义。
近年来，随着实时视频通话、虚拟化数据中心等宽带网络应用的发展，数据量呈爆炸式增长。为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。同时，对于高速信号探测的研究也在同步发展。实时示波器是分析高速信号的重要仪器，对于光学性能监测、超快现象研究及高速光通信网络监测都有着重要的作用。然而，由于电学带宽的限制，目前商用实时示波器最高可达110GHz带宽。采用多通道相干合成的方案，可实现百GHz的等效实时带宽，但系统复杂。基于异步采样方案能大幅提升测量带宽，但仅适用于重复性周期信号，通常用于光学性能监测等应用，例如商用化的通信信号分析仪或眼图分析仪。通过时域透镜放大时间轴来降低对于探测带宽的需求，可探测非重复性、大带宽信号，但难以观测信号的相位信息。因此，面向高速信号的探测技术对于提升测量带宽、提高测量速率和增加测量信息维度具有迫切需求。
图1．（A）光发射机实现超过100Gbaud的符号速率和多路复用信道示意图；（B）传统多路复用信道探测原理示意图；（C）基于傅里叶变换的实时光学矢量示波器原理示意图。
针对上述难题和需求，张新亮教授研究团队张驰教授等人提出了一种基于超快光谱技术的大带宽实时矢量示波器，能够同时满足超宽带、高分辨和全光场测量的要求，其原理如图1所示。该系统结合啁啾相干探测技术，其中啁啾的本征光频－时映射关系与色散傅里叶变换的频－时映射关系相同，因此相干接收机探测可以覆盖整个光谱范围，极大地降低了对于电学探测带宽的需求，并同时捕获信号全光场（强度和相位）信息。在DSP中重构待测信号的频谱全场信息和大带宽时域全场信息。该实时光学矢量示波器在520ps的记录长度上实现了280fs的分辨率，其中时间记录长度与分辨率比值达1857，是单帧测量技术所取得的最大值。首次实现了对多路波分复用高级调制格式信号（4×160 gigabit／s QPSK）的同步实时观测（图2），预示着该系统在波分复用系统应用中的巨大前景。
图2．同步观测多路高级调制格式波分复用信号。（A）超快光谱系统获得的4×160 gigabit／s QPSK信号的光谱和光谱仪测量的光谱；（C）多帧重构的四信道QPSK信号的星座图；（D）光调制分析仪测量的星座图。
本文报道的超大带宽实时光学矢量示波器具有大带宽、超快帧率及高鲁棒性等优势，为实现高速矢量信号测量探索了新的思路。同时其结构复杂度低，有望结合硅基光子学的优势，进一步实现片上集成的超大带宽实时测量系统。
该研究工作得到了国家重点研发计划及国家自然科学基金等项目的资助。华中科技大学武汉光电国家研究中心博士生李仑和张驰教授为论文共同第一作者，华中科技大学张新亮教授、张驰教授和国家信息光电子创新中心肖希博士为论文共同通讯作者。论文第一单位为华中科技大学。香港大学Kenneth Kin－Yip Wong教授、中国地质大学（武汉）李响教授、国家信息光电子创新中心张红广博士、华中科技大学武汉光电国家研究中心硕士生蔡宇翀及博士生李耀帅为共同作者参与相关工作。
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