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高速摄像机 光矢量分析:超高分辨率、大动态范围

时间:2020-10-29     【转载】   来自:中国光学期刊   阅读

2019年11月,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团队在通过高速摄像机对光矢量分析领域取得重要进展,他们利用非对称光矢量分析技术和光频梳技术,实现了兼具阿米(10-18米)级分辨率,90 dB动态范围和THz带宽的光矢量分析。

光器件是实现新一代光信息系统(光通信、光传感、光处理、量子计算等)的物理载体。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,且高阶边带会恶化分辨率,引入严重的测量误差,并**终限制其动态范围。

南京航空航天大学潘时龙教授团队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电光调制产生的一根边带作为探测信号。因此研究人员提出了将电光调制产生的双边带信号均用作探测信号的解决思路,在系统带宽不变的情况下,将测量范围翻倍的同时也有效提高测量效率。但在解调过程中,两个探测信号所携带的信息会发生混叠,难以区分。其主要原因是两信号解调后频率相同。

因此研究人员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的两个信号频率不同。该方法即为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。另外,该方法还有以下优点:两个探测信号的解调频率跟电光调制非线性所产生的高阶边带的频率均不相同,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。


图 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。

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。研究人员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。采用频率稳定性好、超窄线宽的激光源,将光矢量分析的分辨率提高到接近激光器的线宽。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、自动控制技术和多通道幅相均衡技术,可将测量范围拓展至1THz以上。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。

相关成果以“Optical vector analysis with attometer resolution, 90-dB dynamic range and THz bandwidth”为题于2019年11月13日在Nature Communications上发表。卿婷博士为论文**作者,潘时龙教授为通讯作者。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-13129-x


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