面向集成光学的超大带宽、超高精度的矢量光谱分析仪

  近日，深圳国际量子研究院的刘骏秋研究团队发展了一种新型的矢量光谱分析仪。该矢量光谱仪工作在光通讯波段，能够在55.1 THz的带宽范围内以471 kHz的频率分辨率对集成光学器件的复线性响应进行表征。该光谱仪还具备发射光谱采集和分析功能，能够对未知光源以3 MHz频率分辨率和56 dB动态范围进行光谱分析，指标超过已有商用光谱分析仪。该工作为当前发展高性能集成光芯片器件和系统提供了关键的表征支撑技术。

  通过对光的分析、对光在材料中传播行为的研究、以及利用光来传递信号，我们逐步建立起人类的现代化信息社会，尤其是光通信系统。人眼是我们每个人最熟悉、使用最熟练的光分析系统。对于不同频率的光，人眼感受到不同的颜色；同时，人眼通过视差判断物体的位置和距离。在现代科学发展中，光谱分析可能是人类发现和了解物质最有效的方法。例如，利用激光光谱技术，我们大家可以看到并精确表征原子的超精细能级，并基于此实现光原子钟，其准确性和稳定度均已达到10-19量级，可以对毫米尺度下的广义相对论引力膨胀效应进行直接测量；通过一系列分析地外行星的发射光谱，我们大家可以获知其地壳和大气成分，判断其是否适宜人类迁徙和居住，甚至经过测量多普勒红移来推断行星的距离和历史；而对地下水样本的原子阱同位素痕量分析允许对样品精确定年，准确度远远超出碳14定年法。

  随着光信息技术的发展，对宽带发射光谱（比如激光）和宽带光在光器件中的传播特性分析愈发重要。值得一提的是，近年来光芯片已经被用来实现复杂光信号的合成、处理和探测，并大范围的应用于高速高容量光通信和数据中心。与此同时，随着光芯片上光传输损耗逐渐降低和片上非线性信号处理的手段越来越丰富，芯片集成的光频率梳、窄线宽激光器、行波光放大器、压缩量子光源等新型器件正在慢慢地发展成熟。这些进展，一方面正在积极推动光芯片在光微波生成、高容量相干光通信、集成光量子计算、天文光谱仪校准和光神经网络等领域的前沿应用，另一方面也对光芯片器件提出新的要求，尤其是器件对宽带光信号的精细频率响应和器件本身的色散性质调控。因此，一种能够兼具超大光学带宽、超高频率分辨率、大动态范围和相位分析能力的矢量光谱分析仪将有效推动光芯片在相关应用领域的低成本、大规模部署。

  深圳国际量子研究院的刘骏秋研究团队创新性地发展出一种基于扫频激光器的矢量光谱分析仪（VSA），其结构示意如图1所示。在该光谱仪中，级联扫频激光器提供了光通讯波段上55.1 THz（1260 - 1640 nm）的光谱覆盖范围。在扫频过程中，任意时刻激光器的发射光频率都能够最终靠一个色散标定过的光纤参考腔精确校准。利用该光谱仪，研究人员展示了对超低损耗氮化硅微环谐振腔的色散及相位响应的精确测量、对超长延迟线的损耗表征，以及芯片光频梳的光谱表征。最后，该光谱仪还能帮助扫频激光器实现扫频线性化，进而提升连续波调制相干激光雷达（FMCW LiDAR）的测距精度。

  研究人员首先利用这台光谱仪对超低损耗氮化硅波导微环谐振腔（器件如图2a所示）进行了表征。实验所测共振峰的典型结果如图2b所示，证明该光谱仪不仅仅可以测量共振峰线宽（即，光强度变化），也能测量光相位变化。此外，通过对宽带范围内所有共振峰的频率测量和拟合，光谱仪能够获得谐振腔的高阶色散（包括群速度色散和其高阶导数）。同时，通过对超长氮化硅波导延迟线c所示）的表征，光谱仪能够获得延迟线的光学长度、高阶色散和损耗，表征结果如图2d所示（延迟线 dB）。

  图2：氮化硅无源集成光学器件性能表征。a. 单个氮化硅芯片的显微镜照片，芯片上包含数十个环形微腔；b. 典型的微腔共振线表征结果，包含透过率和相位响应；c. 超过3 m长波导延迟线芯片及局部细节；d. 对c中延迟线的损耗测量的结果。

  该光谱仪通过外差探测的方法来实现对宽带光谱的高精度表征。以微腔光频率梳的光谱测量为例，测量结果如图3a所示。图中对比了该新型矢量光谱仪VSA与商用光谱分析仪（OSA）的测量结果，证明VSA可提供更高的光谱分辨率。同时，利用该VSA实现扫频激光器线性化，该系统也能够应用于相干激光雷达测距，极大提升测距精度。利用如图3b所示的实验装置，研究人员对距待测目标的距离进行持续测量，测量结果如图3c所示，表明校准后的激光雷达能轻松实现20.3纳米的测距精度。

  图3：光频率梳光谱测量和激光雷达测距。a. 对芯片集成光频率梳的光谱的测量结果，并与商用光谱仪对比；b. 激光雷达测距装置；c. 激光雷达测得待测目标位置偏移，与此时间段内光学平台气温变化一致（即，光学平台的热胀冷缩引起距离变化）。

  本研究中所构建矢量光谱分析仪通过扫频激光器级联，光分析带宽达到55.1 THz。结合精细表征的光纤参考腔频率基准，对于无源集成光器件的表征，光谱分辨率达到471 kHz；对于激光光谱的表征，光谱分辨率高达3 MHz。对于以上两方面应用，该光谱仪综合性能均优于商用产品。该光谱仪基于纯光纤器件，无需高速调制器和探测器，亦无需主动反馈回路，装置紧凑简洁、鲁棒性好，对于复杂集成光学器件和系统的开发，及其在如传感、通讯、成像和量子信息处理等领域的应用具备极其重大意义。（来源：LightScienceApplications微信公众号）