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光矢量分析:測(cè)量光器件的“火眼金睛”

2019/12/02
導(dǎo)讀
近期,南京航空航天大學(xué)雷達(dá)成像與微波光子學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的潘時(shí)龍教授等在Nature Communications 上發(fā)表研究論文,展示了一項(xiàng)能同時(shí)實(shí)現(xiàn)超高分辨率、超寬帶和大動(dòng)態(tài)范圍的光矢量分析方法。

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?基于非對(duì)稱光雙邊帶發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的光矢量分析方法結(jié)構(gòu)示意圖


  


近期,南京航空航天大學(xué)雷達(dá)成像與微波光子學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的潘時(shí)龍教授等在Nature Communications 上發(fā)表題為“Optical vector analysis with attometer resolution, 90-dB dynamic range and THz bandwidth”的研究論文,展示了一項(xiàng)能同時(shí)實(shí)現(xiàn)超高分辨率、超寬帶和大動(dòng)態(tài)范圍的光矢量分析方法。


光器件是新一代光信息系統(tǒng)(光通信、光傳感、光處理、量子計(jì)算等)的基石。光矢量分析方法作為一種能夠測(cè)量光器件幅度、相位以及偏振響應(yīng)的基礎(chǔ)測(cè)量方法,對(duì)光器件的研制、生產(chǎn)、檢測(cè)和應(yīng)用有著極為重要的作用。不同的光器件對(duì)測(cè)量的要求也不同。比如,應(yīng)用于量子存儲(chǔ)的超高Q值光諧振器要求光矢量分析方法具有超高的頻譜分辨率,大容量光通信所需的光纖類光器件要求光矢量分析方法具有超寬的測(cè)量范圍,而光處理所需的高精細(xì)可編程光濾波器件和非線性器件則要求光矢量分析方法具有足夠的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍。


然而,現(xiàn)有的光矢量分析方法很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)超高分辨率、超寬帶和大動(dòng)態(tài)范圍?;诟缮娣ǖ墓馐噶糠治龇椒梢蕴峁┹^寬的測(cè)量范圍和較大的動(dòng)態(tài)范圍,但分辨率較差。光信道估計(jì)法可以達(dá)到亞MHz量級(jí)的分辨率,但是它的動(dòng)態(tài)范圍和測(cè)量范圍都較小?;诠鈫芜厧д{(diào)制的光矢量分析方法理論上可實(shí)現(xiàn)超高分辨率,但測(cè)量范圍受限于測(cè)量系統(tǒng)的帶寬,且高階邊帶的存在會(huì)惡化分辨率,引入不小的測(cè)量誤差,并最終限制其動(dòng)態(tài)范圍。


作者針對(duì)基于光學(xué)單邊帶調(diào)制的光矢量分析方法中測(cè)量范圍小的問題進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)其主要原因是只利用了單邊帶調(diào)制產(chǎn)生的其中一根邊帶作為探測(cè)信號(hào)。舉個(gè)不恰當(dāng)?shù)睦?,頻率軸就像是一條漆黑的隧道,而光器件的響應(yīng)則是隧道頂上的圖騰。探險(xiǎn)者只有一個(gè)能照亮頭頂上方隧道的電筒,通過在隧道中走動(dòng)(掃頻)來獲得隧道頂上的完整圖騰。為了安全,探險(xiǎn)者身上會(huì)拴上一條安全繩,安全繩的長(zhǎng)度(相當(dāng)于測(cè)量系統(tǒng)的帶寬)決定了探測(cè)范圍。引用上述比喻,基于單邊帶的方法相當(dāng)于只有一個(gè)探險(xiǎn)者。因此作者開始思考,能否將調(diào)制產(chǎn)生的雙邊帶信號(hào)均用作探測(cè)信號(hào)?同時(shí)使用兩個(gè)探測(cè)信號(hào),就相當(dāng)于有了兩個(gè)探險(xiǎn)者,若探險(xiǎn)者從隧道中心朝相反的方向開始探險(xiǎn),在安全繩長(zhǎng)度不變的情況下,可以將探險(xiǎn)范圍(測(cè)量范圍)翻倍,也提高了探測(cè)(測(cè)量)效率。


但在解調(diào)過程中,兩個(gè)探測(cè)信號(hào)所攜帶的信息由于頻率相同,會(huì)發(fā)生混疊,所攜帶的信息不能成功提取。其主要原因是兩個(gè)探測(cè)信號(hào)解調(diào)后頻率相同。這就相當(dāng)于兩個(gè)探險(xiǎn)者將兩個(gè)方向的圖騰信息拍在了同一卷膠片上,互相疊加,不能有效分離。因此作者將光載波的頻率改變了一個(gè)很小的數(shù)值,使兩個(gè)探測(cè)信號(hào)解調(diào)后產(chǎn)生兩個(gè)頻率不同的信號(hào)。這相當(dāng)于給兩個(gè)探險(xiǎn)者兩卷膠片,各自拍攝不同方向的圖騰,因此很容易就能將兩個(gè)探測(cè)信號(hào)所攜帶的信息提取出來。該方法就是本文所提出的基于非對(duì)稱光雙邊帶調(diào)制的光矢量分析方法。作者意外地發(fā)現(xiàn),兩個(gè)探測(cè)信號(hào)的解調(diào)頻率跟調(diào)制非線性產(chǎn)生的高階邊帶的頻率也不相同,因此在接收機(jī)里可以很容易區(qū)分有用信號(hào)和調(diào)制非線性帶來的干擾信號(hào),進(jìn)而大幅消除了測(cè)量誤差,并進(jìn)一步提升了測(cè)量分辨率和動(dòng)態(tài)范圍。


基于上述優(yōu)勢(shì),基于非對(duì)稱光雙邊帶制的光矢量分析方法有望同時(shí)滿足超高分辨率、超寬帶和大動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)量要求。作者在基于非對(duì)稱光雙邊帶調(diào)制的光矢量分析方法的基礎(chǔ)上,選擇了超高邊帶抑制比的移頻器件,消除了殘留邊帶,實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)范圍的進(jìn)一步提高。并采用頻率穩(wěn)定性好、窄線寬的激光源,將光矢量分析的分辨率逼近了激光器的線寬。同時(shí),由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)均對(duì)光波長(zhǎng)不敏感,結(jié)合光頻梳技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù),可將測(cè)量范圍輕松拓展至1THz以上,而不需要復(fù)雜的操作。


該方法的具體實(shí)現(xiàn)方式是:超窄線寬激光器產(chǎn)生的光信號(hào)通過光頻梳發(fā)生器,激發(fā)出光頻梳信號(hào)。模式選擇模塊按順序?yàn)V出其中一根光梳齒,并生成非對(duì)稱光雙邊帶探測(cè)信號(hào)。非對(duì)稱光雙邊帶探測(cè)信號(hào)經(jīng)過待測(cè)光器件后,攜帶上其光譜響應(yīng)。接收機(jī)從非對(duì)稱光雙邊帶信號(hào)中提取光譜響應(yīng),從而消除了高階邊帶和其他有害成分的影響。通過掃描非對(duì)稱光雙邊帶探測(cè)信號(hào)的波長(zhǎng),可獲得該光頻梳對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)通道中的光譜響應(yīng)。選擇其他光梳齒并進(jìn)行上述操作,可得到光頻梳覆蓋范圍內(nèi)的光譜響應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)中,實(shí)現(xiàn)了分辨率為334 Hz、動(dòng)態(tài)范圍大于 90 dB、測(cè)量范圍為1.075 THz的光器件光譜響應(yīng)的測(cè)量。


這項(xiàng)工作將為前沿光器件的研制和相關(guān)物理現(xiàn)象的探索提供了極為重要的測(cè)量工具。該論文的第一作者是南京航空航天大學(xué)的博士生卿婷,通訊作者是南京航空航天大學(xué)雷達(dá)成像與微波光子學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的潘時(shí)龍教授。


論文鏈接:Nature Communications

注:本文轉(zhuǎn)載自Nature自然科研。

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