超快大带宽射频频谱仪

射频谱是指电磁场的强度包络的功率谱。光也是一种电磁波，可以做一种载波，具有带宽大、抗电磁干扰等优点。随着光通信技术和微波光子学技术等技术迅速发展，光载波的射频谱测量已被广泛地运用在了光通信的信号质量监测、无线电通信、雷达系统等科学研究中。目前，该射频谱测量经典方案是基于电谱仪。它通过将光载波信号通过光电探测器转换为电信号后，再通过电谱仪来测量其射频谱信息。由于受限于光电探测器带宽的限制，一般在100 GHz以下，很难应用在超大射频带宽的场景（100 GHz以上）。近年来发展的一种基于交叉相位调制的射频谱测量方案具有大于100 GHz的探测带宽。它通过交叉相位调制，将待测光载波信号的射频谱转换到探测光的光谱上，然后通过光栅型光谱仪来直接读取其射频谱信息。这种方法利用超快的非线性效应，避免了光电探测器的转换带宽限制，能测量较大带宽的射频谱，目前已有报道可测量高达2.5 THz的带宽。但由于受限于光谱仪的扫描速率，其射频谱探测的帧速在KHz量级以下。通过对现有技术的分析，可以发现当前技术在大带宽射频谱的实时动态分析这个领域的处理能力极为有限。

武汉光电国家实验室光电子集成与器件功能实验室张驰副教授带领博士生陈燎等人，利用交叉相位调制和超快光谱测试技术，提出了一种超快大带宽射频频谱分析系统，实现了高达800GHz的测量带宽、91MHz的测量帧速，测量精度控制在3.8 GHz内。系统中，待测光信号的包络先通过交叉相位调制加载在连续探测光的相位上，从而使该信号的射频谱加载在探测光附近的光谱上。然后探测光附近的光谱通过先进的超快光谱测试技术-PASTA映射到时域上，最后可用光探测器和实时示波器对所测光信号频谱进行实时测量。

2017年4月17日，该工作以论文“Real-time broadband radio frequency spectrum analyzer based on parametric spectro-temporal analyzer (PASTA)”发表在Optics Express (Vol. 25 (8), pp. 9416-9425, 2017)上。

图1、超快大带宽射频谱测量原理图

图2、(a) 带宽的测量结果(b) 射频谱分辨率(c) 500 GHz时连续两帧图