基于光波分量分析仪的高Q值微腔色散高精度自校准测量

《IEEE Photonics Journal》：High-precision and self-calibrated dispersion measurement for high-Q resonator

为解决高Q值微谐振腔色散测量中存在的精度不足、需外部频率标定等难题，研究人员开展了一项基于光波分量分析仪(LCA)的色散表征研究。该研究通过扫描调制边带，实现了对微腔谐振模式的精确频率定位，并利用相对位置校准技术重构了完整的透射谱。实验结果表明，该方法无需外部频率标尺，即可实现10 kHz的测量精度，且与光纤环辅助方案的结果高度吻合，为高Q值光子器件的性能评估提供了高精度、自校准的测量手段。

　　

在光通信、精密测量和光谱学等领域，高Q值光学微谐振腔中产生的光学频率梳正扮演着越来越重要的角色。这些微梳凭借其高重复频率、宽光谱范围、低噪声水平以及易于芯片集成等优势，展现出巨大的应用潜力。然而，微腔中耗散克尔孤子(Dissipative Kerr Solitons, DKSs)的形成，依赖于非线性效应与群速度色散(Group Velocity Dispersion, GVD)之间的微妙平衡。其中，色散参数是决定孤子时域和频域特性的关键因素，其精确测量对于微谐振腔的设计和性能优化至关重要。

然而，高Q值微腔通常具有大的自由光谱范围(Free Spectral Range, FSR)，这对色散测量系统的分辨率和带宽提出了极高的要求。传统的测量方法，如使用大调谐范围激光器结合波长计，其调谐精度通常在几十兆赫兹量级，难以满足高Q值微腔的测量需求。此外，激光器的大范围调谐通常是非线性的，需要借助光纤频率梳或经过校准的马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer, MZI)作为稳定的参考频率标尺。这些方案虽然能保证高精度，但需要严格的色散校准，且必须在稳定的温度和压力环境下进行，操作复杂且成本高昂。

为了克服这些挑战，研究人员将目光投向了光波分量分析仪(Lightwave Component Analyzer, LCA)。LCA集成了调制器、矢量网络分析仪(Vector Network Analyzer, VNA)和光电探测器，具有高分辨率(扫描步长可达10 kHz)和宽测量范围(可达110 GHz)的特点，为微腔色散测量提供了一种极具潜力的解决方案。

为了验证LCA在微腔色散测量中的可行性与优越性，来自华中科技大学的研究团队在《IEEE Photonics Journal》上发表了一项研究。他们提出并验证了一种基于LCA的高精度、自校准微腔色散测量方案。该方案通过扫描调制边带，精确获取微腔谐振模式相对于探测光的频率间隔，并利用相对位置校准技术重构完整的透射谱，最终提取出微腔的色散参数。

关键技术方法

本研究主要采用了光波分量分析仪(LCA)辅助的色散测量技术。具体方法包括：利用LCA产生并扫描调制边带，通过非对称测量方式获取微腔谐振模式相对于探测光的频率间隔；采用相对位置校准算法，以一组测量模式为参考，重构完整的微腔透射谱；通过多项式拟合透射谱数据，提取群速度色散(GVD)和集成色散(D_int)等关键参数。此外，研究还采用了光纤环辅助方案作为对比验证，以评估LCA方案的准确性。

研究结果

1. 系统性能表征

在正式测量微腔色散之前，研究人员首先对LCA方案的稳定性、最小谱宽测量能力和频率测量范围进行了表征。通过将探测光固定在相同波长位置，重复扫描调制边带10次，结果显示系统在1/FSR处的抖动水平小于0.04 fs，证明了方案具有极高的稳定性。为了验证最小谱宽测量能力，研究人员对一个高Q值微球腔进行了测量，在10 kHz的扫描步长下，成功分辨出3-dB线宽为12 MHz的谐振峰，对应的Q值高达1.6×10⁸。为了验证频率测量范围，研究人员级联了两个微谐振腔，通过调节其中一个微腔的温度来动态改变谐振模式间距。实验结果表明，LCA能够成功捕获并记录高达81.5 GHz的频率间隔，证明了其宽带的测量能力。

2. 微腔透射谱测量

作为演示，研究人员对一个半径为217 μm、FSR约为100 GHz的氮化硅微谐振腔进行了透射谱测量。由于LCA方案一次只能获取探测光两侧相邻的两个谐振模式，因此测量得到的透射谱是离散的。通过相对位置校准，研究人员成功重构了微腔的完整透射谱。通过对三个谐振峰的洛伦兹拟合，计算得到的Q值分别为1.2×10⁶、1.5×10⁶和1.4×10⁶。

3. 色散参数提取与验证

为了验证LCA方案的准确性，研究人员同时采用了光纤环辅助方案进行对比测量。两种方案均以1550 nm为中心波长，计算了微腔的色散参数。LCA方案测得微腔的平均FSR为101.702 GHz，FSR变化率为-1116.2 kHz/FSR，二阶色散系数D₂/2π为1.1 MHz。光纤环方案测得微腔的平均FSR为101.784 GHz，FSR变化率为-1205.9 kHz/FSR，二阶色散系数D₂/2π为1.2 MHz。两种方案得到的集成色散(D_int)曲线均为开口向上的二次函数，表明该微腔处于反常色散区，结果高度一致。

研究结论与讨论

本研究成功展示了一种基于光波分量分析仪(LCA)的高精度、自校准微腔色散测量方法。通过光纤环辅助方案的验证，证明了该方法的准确性。LCA方案通过扫描调制边带，实现了对微腔谐振模式的精确频率定位，其测量精度高达10 kHz，且无需外部频率标尺和额外的色散校准步骤，操作更为简便。该方案不仅能够精确测量微腔的色散参数，还具备测量高Q值微腔窄线宽的能力，并展现出在110 GHz范围内的宽带测量潜力。

这项研究的意义在于，它为高Q值光子器件的性能评估提供了一种高精度、自校准的测量手段。除了色散表征，该方案还有望应用于高Q值光子器件的消光比测量、滤波器带宽分析等关键指标的评估，展现了LCA在广泛光谱测量中的巨大实用价值。随着激光器波长调谐范围的进一步扩大，该方法有望扩展到更宽的波段，为高性能光子器件的研发提供强有力的技术支撑。