近日，中国科学院半导体研究所的研究团队发表了一项创新研究，宣布他们成功研发出基于时间变化PT（Parity-Time）对称性的频率扫描系统。这种突破性的技术，可以显著缩窄频率调制连续波（FMCW）波形的瞬时线宽，提高雷达和激光雷达等系统的分辨率与性能。该工作以“Time-variant parity-time symmetry in frequency-scanning systems”为题，发表在国际知名期刊《Nature Communications》上。
技术创新：时间变化PT对称性带来的动态调控能力
PT对称性最初由Bender和Boettcher于1998年提出，其核心在于非厄米算符在特定条件下可具有实特征值。近年来，该概念被广泛应用于光学、微波光子学等领域，用于实现单频振荡和稳定信号输出。然而，传统PT对称性系统通常为静态，即频率、增益与损耗等参数均不随时间变化。而本研究团队首次将PT对称性引入到时间变化的频率扫描系统，突破了静态系统的局限。
研究人员通过理论分析与实验验证，证明时间变化PT对称性可动态缩窄频率扫描系统的瞬时线宽。在实验中，基于PT对称性的频率扫描光电振荡器（FDML OEO）实现了比传统系统窄14倍的线宽，为FMCW波形提供了更高精度的信号源。
应用场景：从雷达到激光雷达的广阔前景
FMCW波形因其调频连续性被广泛应用于雷达、激光雷达和光学相干断层扫描（OCT）等领域。然而，传统频率扫描系统的瞬时线宽较大，直接限制了这些应用的分辨率与精度。本研究团队设计的时间变化PT对称性系统，通过在系统内引入增益与损耗的动态平衡，大幅减少了多模竞争效应，仅保留单一模态具有正增益，从而实现了瞬时线宽的有效控制。
在雷达成像实验中，基于该系统的雷达显示出显著优于传统系统的性能：雷达图像中的目标清晰度更高，侧瓣比提高11 dB。此外，在激光雷达和OCT等高分辨率应用中，该技术也展示了巨大潜力。
研究意义与展望
本研究不仅在理论上首次构建了时间变化PT对称性的数学模型，还在实验中实现了基于该理论的实用系统。研究表明，这一技术可以为频率扫描系统提供更高的模式选择和动态调控能力，开辟了PT对称性研究的新方向。
未来，研究团队计划进一步优化系统结构，使其适用于更广泛的应用场景，例如太赫兹波段的信号生成和复杂环境下的目标检测。同时，随着器件的进一步集成化和微型化，该技术有望成为下一代高性能雷达和光子系统的核心解决方案。
中国科学院半导体研究所的这一突破性研究，为频率扫描系统带来了全新的解决方案。通过引入时间变化PT对称性，研究团队实现了动态线宽调控，极大提升了FMCW波形的性能。这一技术不仅为现代雷达和激光雷达提供了更强的支持，也为未来高分辨率光子系统的发展提供了全新思路。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-52958-3
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