高速攝像機(jī) 光矢量分析：超高分辨率、大動態(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)實驗室的潘時龍教授團(tuán)隊在通過高速攝像機(jī)對光矢量分析領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，他們利用非對稱光矢量分析技術(shù)和光頻梳技術(shù)，實現(xiàn)了兼具阿米（10-18米）級分辨率，90 dB動態(tài)范圍和THz帶寬的光矢量分析。
光器件是實現(xiàn)新一代光信息系統(tǒng)（光通信、光傳感、光處理、量子計算等）的物理載體。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(yīng)的基礎(chǔ)測量方法，對光器件的研制、生產(chǎn)、檢測和應(yīng)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(yīng)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(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ǹ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(dá)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{(diào)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，且高階邊帶會惡化分辨率，引入嚴(yán)重的測量誤差，并**終限制其動態(tài)范圍。
南京航空航天大學(xué)潘時龍教授團(tuán)隊針對基于光學(xué)單邊帶調(diào)制的光矢量分析方法中測量范圍小的問題進(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信號。因此研究人員提出了將電光調(diào)制產(chǎn)生的雙邊帶信號均用作探測信號的解決思路，在系統(tǒng)帶寬不變的情況下，將測量范圍翻倍的同時也有效提高測量效率。但在解調(diào)過程中，兩個探測信號所攜帶的信息會發(fā)生混疊，難以區(qū)分。其主要原因是兩信號解調(diào)后頻率相同。
因此研究人員將光載波的頻率改變了一個很小的數(shù)值，使兩個探測信號解調(diào)后產(chǎn)生的兩個信號頻率不同。該方法即為本文所提出的基于非對稱光雙邊帶調(diào)制的光矢量分析方法。另外，該方法還有以下優(yōu)點(diǎn)：兩個探測信號的解調(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)分有用信號和調(diào)制非線性帶來的干擾信號，進(jìn)而大幅消除了測量誤差，并進(jìn)一步提升了測量分辨率和動態(tài)范圍。
圖 基于非對稱光雙邊帶發(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，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。研究人員在基于非對稱光雙邊帶調(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，實現(xiàn)了動態(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，由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)均對光波長不敏感，結(jié)合光頻梳技術(shù)、自動控制技術(shù)和多通道幅相均衡技術(shù)，可將測量范圍拓展至1THz以上。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(yīng)測量。
這項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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