光学时域-波长交织信号生成中的通道失配校正研究

作者及机构
本研究的通讯作者为清华大学电子工程系的Xiaoping Zheng，合作者包括Jinghan Yu、Shangyuan Li、Weichen Hou、Xiaoxiao Xue及Bingkun Zhou。研究成果发表于2025年7月的*Journal of Lightwave Technology*（Vol. 43, No. 14）。

学术背景

研究领域与动机
随着下一代射频（RF）系统（如雷达和无线通信）对宽带信号需求的增长，波形生成器的带宽扩展技术成为研究热点。传统电子时域交织（time-interleaving）技术虽能通过多通道信号合成实现高带宽，但通道间的幅度（amplitude）和时延（time delay）失配会引入杂散频率成分（mismatch-induced spur, MIS），降低信号质量。光学时域-波长交织（optical time-wavelength interleaving）技术因其高频率、宽带宽和多维复用潜力成为解决方案，但针对其通道失配的校正研究仍属空白。

研究目标
本研究提出一种基于光学频谱处理（optical spectral processing）的非侵入式通道失配校正方法，通过探针信号（probe signals）精确测量失配参数，并在光谱域进行补偿，以提升信号生成质量。

研究流程与方法

1. 通道失配建模与理论分析

• 模型构建：建立多通道光学时域交织系统的数学模型，量化幅度失配（(a_i)）和时延失配（(t_i)）对输出信号频谱的影响。
  
• 关键公式：推导输出信号频谱表达式（式10），证明失配会导致非线性杂散分量（MIS），如图2所示。
  

2. 失配测量方法开发

• 探针信号设计：设计一组单频探针信号（式12），通过其频谱响应计算各通道的复增益（(h_i(f))），进而提取幅度和时延失配（式15）。
  
• 创新性：相比传统矢量网络分析仪（VNA）测量，该方法无需硬件介入，精度更高（图4显示误差<±0.01 dB和±0.01采样周期）。
  

3. 光谱域校正实现

• 校正模块：在系统中加入光学频谱处理器（图3），通过线性相位补偿和幅度调整（式17）消除失配。
  
• 实验验证：搭建双通道系统（等效采样率50 GSa/s），生成单频信号（12.19 GHz）和宽带线性调频（LFM, 0.5–20.5 GHz）信号。
  

4. 对比实验

• VNA基准法：初步校准后，单频信号MIS抑制比为19.41 dB，但残余失配仍显著（图8b）。
  
• 探针信号法：校正后单频信号MIS抑制比提升至43.15 dB，宽带LFM信号提升至32.65 dB（图8c、10f）。
  

主要结果与逻辑关联

1. 数值仿真：验证探针信号法的理论可行性，多通道下幅度和时延误差均控制在极低水平（图4）。
   
2. 实验数据：
   
   • 单频信号校正后，频谱中MIS成分显著抑制（图8c），全频段测试（10–20 GHz）MIS抑制比均>40 dB（图9）。
     
   • 宽带信号校正后，时频图（图10f）显示MIS能量降低15 dB以上，证明方法对频率依赖性失配的有效性。
     
3. 对比优势：硬件非侵入式测量避免了VNA法因连接线缆引入的额外误差（图12），校正效果更优。
   

结论与价值

科学价值
- 首次提出光学时域交织系统的全光学域失配校正框架，填补该领域技术空白。
- 理论证明探针信号法可精确解耦幅度和时延失配，为多通道系统校准提供通用方案。

应用价值
- 提升光子数模转换器（PDAC）和宽带雷达模拟器的信号纯度，支持更高阶调制格式（如PAM-8）。
- 方法算法简单、可重构性强，易于扩展至更多通道（如N>2）系统。

研究亮点

1. 创新方法：结合探针信号与光谱处理，实现硬件非侵入式高精度失配测量。
   
2. 跨领域意义：将电子时域交织的校正理论迁移至光学域，推动光电子融合系统发展。
   
3. 实验验证：通过单频与宽带信号对比，全面验证方法的普适性，数据支撑充分。
   

局限与展望
残余MIS可能源自ADC量化噪声、MZM非线性等因素，未来可结合数字预失真（digital pre-distortion）进一步优化。

注：本文实验数据及公式均引自原文，技术细节可参考*Journal of Lightwave Technology*第43卷第14期。