高速攝像機(jī) 光矢量分析：超高分辨率、大動(dòng)態(tài)范圍
2019年11月，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)龍教授團(tuán)隊(duì)在通過高速攝像機(jī)對(duì)光矢量分析領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，他們利用非對(duì)稱光矢量分析技術(shù)和光頻梳技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了兼具阿米（10-18米）級(jí)分辨率，90 dB動(dòng)態(tài)范圍和THz帶寬的光矢量分析。
光器件是實(shí)現(xiàn)新一代光信息系統(tǒng)（光通信、光傳感、光處理、量子計(jì)算等）的物理載體。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ǹ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，且高階邊帶會(huì)惡化分辨率，引入嚴(yán)重的測(cè)量誤差，并**終限制其動(dòng)態(tài)范圍。
南京航空航天大學(xué)潘時(shí)龍教授團(tuán)隊(duì)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電光調(diào)制產(chǎn)生的一根邊帶作為探測(cè)信號(hào)。因此研究人員提出了將電光調(diào)制產(chǎn)生的雙邊帶信號(hào)均用作探測(cè)信號(hào)的解決思路，在系統(tǒng)帶寬不變的情況下，將測(cè)量范圍翻倍的同時(shí)也有效提高測(cè)量效率。但在解調(diào)過程中，兩個(gè)探測(cè)信號(hào)所攜帶的信息會(huì)發(fā)生混疊，難以區(qū)分。其主要原因是兩信號(hào)解調(diào)后頻率相同。
因此研究人員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)生的兩個(gè)信號(hào)頻率不同。該方法即為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。另外，該方法還有以下優(yōu)點(diǎn)：兩個(gè)探測(cè)信號(hào)的解調(diào)頻率跟電光調(diào)制非線性所產(chǎn)生的高階邊帶的頻率均不相同，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。
圖 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。
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。研究人員在基于非對(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。采用頻率穩(wěn)定性好、超窄線寬的激光源，將光矢量分析的分辨率提高到接近激光器的線寬。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)、自動(dòng)控制技術(shù)和多通道幅相均衡技術(shù)，可將測(cè)量范圍拓展至1THz以上。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)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。
相關(guān)成果以“Optical vector analysis with attometer resolution, 90-dB dynamic range and THz bandwidth”為題于2019年11月13日在Nature Communications上發(fā)表。卿婷博士為論文**作者，潘時(shí)龍教授為通訊作者。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-13129-x
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