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光矢量分析:測量光器件的“火眼金睛”

2019/12/02
導讀
近期,南京航空航天大學雷達成像與微波光子學教育部重點實驗室的潘時龍教授等在Nature Communications 上發(fā)表研究論文,展示了一項能同時實現(xiàn)超高分辨率、超寬帶和大動態(tài)范圍的光矢量分析方法。

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?基于非對稱光雙邊帶發(fā)射機與接收機的光矢量分析方法結構示意圖


  


近期,南京航空航天大學雷達成像與微波光子學教育部重點實驗室的潘時龍教授等在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,展示了一項能同時實現(xiàn)超高分辨率、超寬帶和大動態(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、量子計算等)的基石。光矢量分析方法作為一種能夠測量光器件幅度、相位以及偏振響應的基礎測量方法,對光器件的研制、生產(chǎn)、檢測和應用有著極為重要的作用。不同的光器件對測量的要求也不同。比如,應用于量子存儲的超高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量范圍,而光處理所需的高精細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量動態(tài)范圍。


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


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


但在解調過程中,兩個探測信號所攜帶的信息由于頻率相同,會發(fā)生混疊,所攜帶的信息不能成功提取。其主要原因是兩個探測信號解調后頻率相同。這就相當于兩個探險者將兩個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很小的數(shù)值,使兩個探測信號解調后產(chǎn)生兩個頻率不同的信號。這相當于給兩個探險者兩卷膠片,各自拍攝不同方向的圖騰,因此很容易就能將兩個探測信號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稱光雙邊帶調制的光矢量分析方法。作者意外地發(fā)現(xiàn),兩個探測信號的解調頻率跟調制非線性產(chǎn)生的高階邊帶的頻率也不相同,因此在接收機里可以很容易區(qū)分有用信號和調制非線性帶來的干擾信號,進而大幅消除了測量誤差,并進一步提升了測量分辨率和動態(tài)范圍。


基于上述優(yōu)勢,基于非對稱光雙邊帶制的光矢量分析方法有望同時滿足超高分辨率、超寬帶和大動態(tài)范圍的測量要求。作者在基于非對稱光雙邊帶調制的光矢量分析方法的基礎上,選擇了超高邊帶抑制比的移頻器件,消除了殘留邊帶,實現(xiàn)了動態(tài)范圍的進一步提高。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,由于發(fā)射機和接收機均對光波長不敏感,結合光頻梳技術和自動控制技術,可將測量范圍輕松拓展至1THz以上,而不需要復雜的操作。


該方法的具體實現(xiàn)方式是:超窄線寬激光器產(chǎn)生的光信號通過光頻梳發(fā)生器,激發(fā)出光頻梳信號。模式選擇模塊按順序濾出其中一根光梳齒,并生成非對稱光雙邊帶探測信號。非對稱光雙邊帶探測信號經(jīng)過待測光器件后,攜帶上其光譜響應。接收機從非對稱光雙邊帶信號中提取光譜響應,從而消除了高階邊帶和其他有害成分的影響。通過掃描非對稱光雙邊帶探測信號的波長,可獲得該光頻梳對應的波長通道中的光譜響應。選擇其他光梳齒并進行上述操作,可得到光頻梳覆蓋范圍內的光譜響應。在實驗中,實現(xiàn)了分辨率為334 Hz、動態(tài)范圍大于 90 dB、測量范圍為1.075 THz的光器件光譜響應的測量。


這項工作將為前沿光器件的研制和相關物理現(xiàn)象的探索提供了極為重要的測量工具。該論文的第一作者是南京航空航天大學的博士生卿婷,通訊作者是南京航空航天大學雷達成像與微波光子學教育部重點實驗室的潘時龍教授。


論文鏈接:Nature Communications

注:本文轉載自Nature自然科研。

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