基于扫描式波长-时间映射的微波光子光学波长测量技术

《Journal of Lightwave Technology》：Microwave Photonic Optical Wavelength Measurement Based on Swept Wavelength-to-Time Mapping

　　

摘要：

光学波长测量在多种应用场景中至关重要，包括计量学、传感、激光雷达等。在这些系统中，通常要求高分辨率和快速测量速度，因此许多研究致力于提高测量系统的分辨率和速度。本文提出并展示了一种基于扫描波长-时间映射的新型微波光子光学波长测量方案，其分辨率优于1.6皮米，测量速度可达100千赫。该方案的关键在于将光学波长信息映射到输出脉冲的时间差上，首先对电调制双向频率扫描光学参考信号进行滤波，然后将滤波后的信号转换为电脉冲对。因此，可以利用时域信息获得被测光学的波长。实验中成功展示了单频光信号、光频率梳以及频率扫描光信号的光学波长测量。所提出的方案利用微波光子技术提供了一种高效且经济的光学波长测量方法，具有广泛的应用前景。

引言

光学波长测量技术在计量学、传感、激光雷达、材料分析等多种应用中发挥着重要作用[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。尽管市面上有基于扫描衍射光栅的光谱分析仪，但其分辨率和测量速度通常分别限制在几十皮米和几赫兹[6]。在实际应用中，通常需要高分辨率和快速测量速度，因此人们投入了大量努力开发具有改进分辨率和测量速度的新型光学波长测量方案[7]，例如基于色散光学元件、窄带滤波器或傅里叶变换的方案。在基于色散光学元件的光学波长测量方法中，被测光信号会被色散元件拉伸，从而将光学波长信息映射到时域，进而可以使用时域示波器进行测量[8]、[9]、[10]、[11]。在基于窄带滤波器的光学波长测量方案中，通过单个可调滤波器或多个滤波器阵列来选择被测光信号，并通过光电探测器（或探测器阵列）监测窄带滤波器（或滤波器阵列）的输出来获取光学波长信息[12]、[13]、[14]、[15]。在基于傅里叶变换的系统中，通过计算干涉图（由微机电系统（MEMS）干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪（MZI）阵列等干涉仪产生）来获取光学波长信息[16]、[17]、[18]。尽管上述方法实现了具有吸引力的光学波长测量功能，但其分辨率和测量速度仍然有限。此外，大多数当前的测量方案仅在系统静态时才能获取光学波长信息，对于频率扫描信号等时变光信号，仍难以实现时域-波长分析。