近日，一篇题为《超越太样本每秒的逐点时域任意波形合成》的学术论文在《自然-通讯》期刊上发表。该研究由暨南大学光子技术研究院光纤传感与通信广东省重点实验室的关亦然、王光英、支妍妍、陈靖旭、李灵智、张杰俊（通讯作者）以及渥太华大学电气工程与计算机科学学院微波光子学研究实验室的姚建平（通讯作者）共同完成。这项研究提出并实验验证了一种创新的光辅助任意波形合成方法，其核心是构建一个基于合成维度概念的“光学时域游标卡尺”，成功实现了高达1太样本每秒的采样率以及高达10400点的存储深度，为下一代超高速信号处理与生成提供了突破性的解决方案。
本研究的领域属于微波光子学与先进光信号处理的交叉前沿。任意波形发生器是现代信息技术中不可或缺的核心器件，广泛应用于雷达、激光雷达、光谱学、高速通信和生物成像等领域。其性能主要由采样率和存储深度两个关键参数决定。传统的电子式任意波形发生器的采样率受限于模数转换器的速度，目前最高水平在数百吉样本每秒量级。光子辅助的波形合成技术有潜力突破这一瓶颈，但现有方案，如基于电光调制或线谱整形的方案，往往面临可扩展性、可重构性以及逐点控制能力受限等挑战。例如，线谱整形技术缺乏对时域波形逐点的独立控制，而近期提出的基于合成维度的光子高尔顿板方案则受限于光子数有限导致的采样点数少、功率低和信噪比差等问题。因此，开发一种既能实现极高采样率，又能支持大规模、逐点、可重构波形合成的新方法，是本领域亟待解决的关键科学问题。本研究旨在通过将经典的“游标卡尺”精密测量原理引入光子的时域合成维度，从根本上解决这一难题，目标是构建一个采样率超越太样本每秒、支持深度逐点控制的通用型任意波形合成器。
研究工作的详细流程可以分为概念提出、实验系统构建、性能验证以及应用演示几个核心环节。首先，研究团队提出了“时域游标卡尺”的核心概念。游标卡尺利用主尺和游标尺刻度间隔的微小差异（最小读数）来实现高精度测量。本研究将这一思想应用于时域：将一台锁模激光器产生的、周期为Tp（相当于游标尺间隔VSD）的光脉冲序列，注入到一个光纤环行器中。该光纤环的环程时间Tr（相当于主尺间隔MSD）可以通过一个可调延迟线进行精细调节。通过精确控制，使Tr与Tp之间存在一个微小的失谐量δ（δ = Tr - Tp），这个δ就构成了时域合成维度上的“最小读数”。
其次，实验系统的具体构建如下：系统核心包括一个重复频率为20 MHz的锁模激光器。首先，使用一个声光调制器对脉冲序列进行“稀疏化”和幅度调制：每4个脉冲中只允许1个通过，从而将有效脉冲周期Tp扩展至200 ns，同时根据目标波形对该脉冲的幅度进行编程控制。经过调制的脉冲通过一个2x2光耦合器注入到长约40米的光纤环中。环内集成了关键的可调延迟线，用于将环程时间Tr在200 ns至200.56 ns之间精细调节，从而与Tp（200 ns）产生所需的小失谐δ。为了确保脉冲能够在环中循环足够多的次数以积累大量采样点，环内还放置了掺铒光纤放大器来补偿损耗，可调光滤波器来抑制放大自发辐射噪声，以及色散补偿光纤来管理色散。另一个声光调制器被用作光开关和频率移位器，以防止环内形成激光振荡，并在波形合成完成后终止循环。最终，合成好的光波形从耦合器的另一个端口输出，经高速光电探测器转换为电信号后，由带宽为36 GHz、采样率为80 GSa/s的示波器进行采集和分析。
在实验验证阶段，研究团队首先展示了系统的超高采样率和宽调谐能力。通过调节延迟线改变失谐量δ，他们成功合成了高斯、三角、矩形和锯齿波等多种形状的波形，其采样率可在5 GSa/s至1 Tsa/s之间连续调谐。例如，当δ为0.2 ns、0.1 ns、0.033 ns和0.004 ns时，对应的采样率分别为5、10、30和250 GSa/s。当δ被调节至1 ps（皮秒）时，系统生成了采样率达1 Tsa/s（即间隔1 ps的150个采样点）的波形。通过计算实验波形与目标波形之间的平均均方根误差（RMSE约为0.0409），验证了合成波形的高保真度。系统表现出超过7比特的垂直分辨率，意味着能够清晰区分超过128个幅度等级。
随后，研究团队展示了系统进行大规模逐点合成的能力，这通过在相对较低的符号速率（即脉冲周期的倒数，5 MHz）上对每个注入脉冲的幅度进行独立编程来实现。为了演示其在通信中的应用，他们合成了包含10400个采样点的通断键控信号和4阶脉冲幅度调制信号（采样率为260 MSa/s），并展示了清晰的眼图。通过依次合成同相和正交分量并加以组合，还生成了正交相移键控信号，其误差向量幅度为12.96%。这些结果表明了该系统对复杂通信波形进行大规模、高保真编码的潜力。
最后，作为在雷达系统中的应用示例，研究团队生成了线性调频微波波形用于高分辨率多目标检测。他们利用时域游标卡尺产生了一个包含150个采样点、采样率为60 GSa/s的脉冲串，其频谱的一阶边带具有4.7 GHz的带宽。通过带通滤波器选取该边带，即可得到线性调频微波波形。将该波形用于雷达探测实验，成功实现了对静态目标、运动目标（速度分别为8 mm/s和16 mm/s）以及多目标（同时探测一个运动目标和多个静态目标）的高精度测距。根据所用带宽计算，其理论距离分辨率可达3.2厘米，若利用合成脉冲串的全部潜在带宽（理论可达20 GHz），分辨率更可提升至0.75厘米，超越了现有电子和光子雷达的典型水平。
本研究的主要结论是，成功构建并验证了一种基于时域游标卡尺原理的光子任意波形合成器。该系统巧妙地将传统游标测量原理与光子合成维度相结合，通过控制锁模激光脉冲周期与光纤环程时间之间的微小失谐，在时域创造了一个极小且可调谐的“最小读数”，从而实现了采样率的巨大提升和灵活调谐。同时，通过对每个光脉冲在低频下进行独立的幅度编码，实现了对波形的大规模、逐点、可重构控制。实验证明，该合成器能够以高达1 Tsa/s的采样率（比当前最先进的电子方案高出一个数量级）和高达10400点的存储深度，生成高保真度的各种复杂波形。
本研究的科学价值在于提出并实现了一种全新的超高速度、高分辨率光信号时域操控范式。它将经典的测量学原理创造性地应用于光子信息处理，丰富了合成维度光子学的内涵。其应用价值极为广泛：在基础研究方面，可为超快光谱、量子模拟等需要极端时域操控的领域提供工具；在应用技术方面，为下一代太赫兹通信、超高分辨率雷达/激光雷达、高速光学计算和神经网络、精密医疗成像等提供了核心的波形生成解决方案。特别是其逐点控制能力，使得在光学计算和神经网络中实现全光高速数据编码成为可能，避免了电光调制的速率限制，有望将数据处理效率推向每秒千万亿次操作量级。
本研究的亮点突出表现在以下几个方面：第一，原理创新性：首次将“游标卡尺”原理引入时域光子学，构思巧妙，为解决超高采样率与逐点控制的矛盾提供了根本性新思路。第二，性能突破性：实现了1 Tsa/s的采样率，这是首次在实验中演示太样本每秒量级的波形合成，同时兼顾了极深的存储深度（10.4 k点）和高垂直分辨率（>7比特），性能指标全面领先。第三，功能通用性：系统不仅采样率连续可调，而且能够合成从简单函数到复杂调制通信信号、雷达线性调频信号等多种波形，展现了强大的通用性和可重构性。第四，应用示范性：研究不仅停留在原理验证，还深入演示了在高速无线通信和雷达探测两个重要领域的实际应用，证明了其巨大的实用潜力。第五，技术成熟度：系统主要基于商用器件构建，具有良好的稳定性和可重复性，为未来技术转化和集成化奠定了良好基础。
论文还在讨论部分展望了未来发展方向，例如通过与支持太赫兹操作的高速光电探测器结合，可将光域的超高采样率波形转换到电域；通过多通道级联或采用光子集成电路技术，可以进一步缩短波形合成时间、减小系统尺寸并提高稳定性。总体而言，这项研究标志着高速任意波形生成技术迈上了一个新台阶，其提出的“时域游标卡尺”方案作为一种多功能、高性能的平台，有望在众多前沿科技领域引发新的研究热潮和应用突破。