基于微波光子技术的宇称-时间对称系统的实验与应用研究

The discovery of the parity-time symmetry mechanism has produced a great deal of outstanding results in optics and other fields. Our preliminary work combines the microwave photon technology with the parity-time symmetry to solve the mode-selection problem of traditional opto-electronic oscillators. This project further deepens the research of parity-time symmetric microwave optical subsystem, which mainly includes the following subjects: 1) Proposing a new parity-time symmetric opto-electronic oscillator based on wavelength division multiplexing technology to overcome the vulnerability of existing systems to external interference. 2) Investigating the fourth-order parity-time symmetric microwave photonic system using hybrid wavelength division and space division multiplexing to increase side-mode suppression ratio in signal generation, which leads to other applications such as in high sensitivity sensing; 3) Using microwave photonic network technology to provide a set of solutions for the experimental study of higher-order parity-time symmetric systems with nonlinear topology; 4) Using high-speed modulation and detection techniques in microwave photonics technology to study the perturbation and nonlinear dynamic processes of a parity-time symmetric system. In summary, we believe that the use of microwave photonic technology to study the parity-time symmetric system will help us understand the physical mechanism more deeply and further extend capability of existing microwave photonic techniques, so it is of great importance and potential.

宇称-时间对称机理的发现在光学与其他领域产生了大量的优秀成果。申请人前期工作将微波光子技术与宇称-时间对称性的初步结合便解决了传统光电振荡器在模式选择上存在的难题。本项目进一步加深宇称-时间对称微波光子系统研究，主要包括以下几个内容：1）提出基于波分复用技术的新型宇称-时间对称光电振荡器，克服已有系统易受外界干扰的问题；2）研究利用混合波分、空分复用的四阶宇称-时间对称微波光子系统，研究信号产生中的边模抑制比的优化、高灵敏度传感等应用；3）利用微波光子网络技术，为高阶的，具有非线性拓扑结构的宇称-时间对称系统的实验研究提供一套解决方法；4）利用微波光子技术中的高速调制、检测技术，研究宇称-时间对称系统中的微扰和非线性动力过程。总之，我们认为，利用微波光子技术对宇称-时间对称系统进行研究有助于我们更深刻地理解其物理机制，实现微波光子技术新功能，因此具有极大的必要性和潜力。

宇称-时间对称机理的发现在光学与其他领域产生了大量的优秀成果，宇称-时间对称机理赋予了光学和电磁波系统额外的调谐维度，增益与损耗的变化不再局限于影响信号的强度，而对信号的频率、相位、方向路径都产生了强烈的影响，使光学和电磁波系统的功能出现了新的可能性。本项目开展了宇称-时间对称微波光子系统的研究，主要包括以下几个内容：1）提出基于波分复用技术的新型宇称-时间对称光电振荡器，克服已有系统易受外界干扰的问题；2）研究利用混合波分、空分复用的四阶宇称-时间对称微波光子系统，研究信号产生中的边模抑制比的优化、高灵敏度传感等应用；3）利用微波光子网络技术，为高阶的，具有非线性拓扑结构的宇称-时间对称系统的实验研究提供一套解决方法；4）利用微波光子技术中的高速调制、检测技术，研究宇称-时间对称系统中的微扰和非线性动力过程。通过这些研究，我们取得多项重要结果，包括：1）在微波光子系统中提出了光学参量空间的概念，并在单一物理环路中实现了宇称-时间对称光电振荡器的高质量微波信号产生，其稳定性相对于传统技术提升三个数量级；2）提出高位度的光学合成维度，并应用于超高速微波波形的产生，实现了TSa/s的采样率，比现有顶级微波设备提升一个数量级；3）基于光纤布拉格光栅，首次实现了全光纤宇称-时间对称谐振腔，并获得光的非互易性传输和高灵敏度传感；4）基于光电振荡器的非线性增益迭代模型，开展了宇称-时间对称光电振荡器非线性动力学特性研究。本项目获得的关键数据主要包括：1）基于光学参量空间的振荡器抗干扰能力相比传统振荡器提升3个数量级，适用于机载雷达等恶劣工作环境；2）基于光学合成维度的波形产生方法，可获得TSa/s的超高采样率，该技术有望突破国内仪器仪表的速度、带宽瓶颈。最后，我们利用微波光子技术对宇称-时间对称系统进行研究，更深刻地理解了其物理机制，实现微波光子技术新功能，因此具有科学意义。