一种同时实现超高分辨率、超宽带和大动态范围的光矢量分析方法

  枫林叶落        2019-11-25 16:31:27

近期,南京航空航天大学雷达成像与微波光子学教育部重点实验室的潘时龙教授等在Nature Communications上发表题为“Optical vector analysis with attometer resolution,90-dB dynamic range and THz bandwidth”的研究论文,展示了一项能同时实现超高分辨率、超宽带和大动态范围的光矢量分析方法。


光器件是新一代光信息系统(光通信、光传感、光处理、量子计算等)的基石。光矢量分析方法作为一种能够测量光器件幅度、相位以及偏振响应的基础测量方法,对光器件的研制、生产、检测和应用有着极为重要的作用。不同的光器件对测量的要求也不同。比如,应用于量子存储的超高Q值光谐振器要求光矢量分析方法具有超高的频谱分辨率,大容量光通信所需的光纤类光器件要求光矢量分析方法具有超宽的测量范围,而光处理所需的高精细可编程光滤波器件和非线性器件则要求光矢量分析方法具有足够的测量动态范围。


然而,现有的光矢量分析方法很难同时实现超高分辨率、超宽带和大动态范围。基于干涉法的光矢量分析方法可以提供较宽的测量范围和较大的动态范围,但分辨率较差。光信道估计法可以达到亚MHz量级的分辨率,但是它的动态范围和测量范围都较小。基于光单边带调制的光矢量分析方法理论上可实现超高分辨率,但测量范围受限于测量系统的带宽,且高阶边带的存在会恶化分辨率,引入不小的测量误差,并最终限制其动态范围。


作者针对基于光学单边带调制的光矢量分析方法中测量范围小的问题进行分析,发现其主要原因是只利用了单边带调制产生的其中一根边带作为探测信号。举个不恰当的例子,频率轴就像是一条漆黑的隧道,而光器件的响应则是隧道顶上的图腾。探险者只有一个能照亮头顶上方隧道的电筒,通过在隧道中走动(扫频)来获得隧道顶上的完整图腾。为了安全,探险者身上会拴上一条安全绳,安全绳的长度(相当于测量系统的带宽)决定了探测范围。引用上述比喻,基于单边带的方法相当于只有一个探险者。因此作者开始思考,能否将调制产生的双边带信号均用作探测信号?同时使用两个探测信号,就相当于有了两个探险者,若探险者从隧道中心朝相反的方向开始探险,在安全绳长度不变的情况下,可以将探险范围(测量范围)翻倍,也提高了探测(测量)效率。


但在解调过程中,两个探测信号所携带的信息由于频率相同,会发生混叠,所携带的信息不能成功提取。其主要原因是两个探测信号解调后频率相同。这就相当于两个探险者将两个方向的图腾信息拍在了同一卷胶片上,互相叠加,不能有效分离。因此作者将光载波的频率改变了一个很小的数值,使两个探测信号解调后产生两个频率不同的信号。这相当于给两个探险者两卷胶片,各自拍摄不同方向的图腾,因此很容易就能将两个探测信号所携带的信息提取出来。该方法就是本文所提出的基于非对称光双边带调制的光矢量分析方法。作者意外地发现,两个探测信号的解调频率跟调制非线性产生的高阶边带的频率也不相同,因此在接收机里可以很容易区分有用信号和调制非线性带来的干扰信号,进而大幅消除了测量误差,并进一步提升了测量分辨率和动态范围。


基于上述优势,基于非对称光双边带制的光矢量分析方法有望同时满足超高分辨率、超宽带和大动态范围的测量要求。作者在基于非对称光双边带调制的光矢量分析方法的基础上,选择了超高边带抑制比的移频器件,消除了残留边带,实现了动态范围的进一步提高。并采用频率稳定性好、窄线宽的激光源,将光矢量分析的分辨率逼近了激光器的线宽。同时,由于发射机和接收机均对光波长不敏感,结合光频梳技术和自动控制技术,可将测量范围轻松拓展至1THz以上,而不需要复杂的操作。

一种同时实现超高分辨率、超宽带和大动态范围的光矢量分析方法

基于非对称光双边带发射机与接收机的光矢量分析方法结构示意图


该方法的具体实现方式是:超窄线宽激光器产生的光信号通过光频梳发生器,激发出光频梳信号。模式选择模块按顺序滤出其中一根光梳齿,并生成非对称光双边带探测信号。非对称光双边带探测信号经过待测光器件后,携带上其光谱响应。接收机从非对称光双边带信号中提取光谱响应,从而消除了高阶边带和其他有害成分的影响。通过扫描非对称光双边带探测信号的波长,可获得该光频梳对应的波长通道中的光谱响应。选择其他光梳齿并进行上述操作,可得到光频梳覆盖范围内的光谱响应。在实验中,实现了分辨率为334 Hz、动态范围大于90 dB、测量范围为1.075 THz的光器件光谱响应的测量。


这项工作将为前沿光器件的研制和相关物理现象的探索提供了极为重要的测量工具。该论文的第一作者是南京航空航天大学的博士生卿婷,通讯作者是南京航空航天大学雷达成像与微波光子学教育部重点实验室的潘时龙教授。

Nature Communications

doi:10.1038/nature22404

来源:两江科技评论,作者两江

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