基于全光傅里叶变换及时域放大的超快射频频谱分析

空间中的单色光傍轴衍射过程与时域中窄带脉冲色散过程具有类比性，即所谓的时间-空间二相性。利用这一概念，空间光学中的一些光器件和系统都可以借鉴、引申到时域中，例如时域成像、时域傅里叶变换、任意波形产生等，为时域光信号处理提供一种新的方法和途径。特别是近年来，由于在超快光信号处理中的广泛应用，基于时间-空间二相性的时域光处理技术得到了广泛的关注。另一方面，在射电天文学、电子战等需要对射频信号进行实时监测的应用场景，超快的射频频谱分析技术显得尤为重要。然而，传统的基于电子技术的电谱仪由于电子瓶颈的限制，其测量帧速率、带宽都很难得到进一步的提高。而一些基于光子辅助的射频分析技术，或受限于测量单一频率，或需要后续的电域信号处理，因而难以对复杂信号进行超快的频谱分析。

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硕士生段玉华等人，利用时间-空间二相性的概念，提出了一种基于全光傅里叶变换及时域放大的超快射频频谱分析系统，实现了20GHz以上的测量带宽、100MHz的测量帧率，测量精度控制在1GHz内。系统中，锁模光纤激光器输出的超短光脉冲通过一段长光纤色散实现时域傅里叶变换后由电光强度调制器加载待测射频信号，再经过一段相同色散量的反向色散光纤后实现反傅里叶变换。根据傅里叶变换卷积原理，射频频率映射成了超短脉冲的时间位置，因此通过时域透镜放大系统进行时域拉伸后就可用光探测器和实时示波器对所测信号频谱进行实时测量。

2017年3月23日，该工作以论文“Ultrafast electrical spectrum analyzer based on all-optical Fourier transform and temporal magnification”发表在Optics Express (Vol. 25, pp. 7520-7529, 2017)上。

该研究工作得到了国家自然科学基金（No. 61631166003, 61675081, 61505060, 61320106016, 61125501）和湖北省自然科学基金（No. 2015CFB173）等项目的资助。

图1、基于全光傅里叶变换和时域放大的超快射频频谱测量原理图

图2、（a）不同频率的测量结果（b）10GHz频率下输出的连续10个测量周期

来源：武汉光电国家实验室(筹)