基于正弦 - 余弦编码器方法的片上光频率变化超高分辨率实时检测：开辟光频测量新路径

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《Nature Communications》：

【字体：大中小】 时间：2025年04月01日 来源：Nature Communications

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　　为解决传统光频率或波长测量设备体积大、速度慢、成本高且测量速度和分辨率不足等问题，研究人员开展了基于正弦 - 余弦编码器原理的光子集成电路（PIC）芯片用于光频率变化（OFV）测量的研究。结果显示该芯片速度达 2500 THz/s，分辨率至 2 MHz，在应变和振动测量方面优于现有光纤布拉格光栅（FBG） interrogators，为片上 OFV 检测开辟新途径。

　　在科技飞速发展的当下，光的应用越来越广泛，从激光频率控制、光学计算到光学传感等领域，光频率变化（Optical Frequency Variations，OFV）的实时测量都至关重要。比如在光学分布式传感应用中，像 FMCW LiDAR 和 OFDR，需要精确测量快速的光频率（波长）变化来获取数据处理所需的 k - 时钟；基于光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）的准分布式传感应用里，FBG interrogators 能否快速、高分辨率地确定反射光的波长变化，对提升系统性能意义重大；在涉及微环谐振器（Micro - Ring Resonators，MRR）和波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）的光学计算中，实时高分辨率检测 OFV 有助于精准控制每个 WDM 通道的频率，从而精确调整通道权重；此外，片上窄线宽激光器的频率控制和监测也不可或缺。
然而，传统的光学频率或波长测量设备，如波表（Wavemeters）和光谱分析仪（Optical Spectrum Analyzers，OSAs），尽管波长测量精度极高，但它们普遍存在测量速度和分辨率不足的问题，难以满足这些领域的严苛需求。而且，这些设备体积庞大、成本高昂，这使得它们很难被集成到传感和光学计算系统中。为了解决这些难题，河北大学等研究机构的研究人员进行了深入探索。
研究人员提出并展示了一种基于正弦 - 余弦编码器原理的光子集成电路（Photonic Integrated Circuit，PIC）芯片，用于高速、高分辨率的实时 OFV 测量。该芯片基于薄膜铌酸锂（Thin Film Lithium Niobate，TFLN）平台制造，尺寸仅为 5.5 mm×2.7 mm。
研究人员用到的主要关键技术方法包括：采用 x - cut LNOI 晶圆制作器件，该器件包含边缘耦合器、3 - dB 2×2 弯向定向耦合器（BDCs）、90° 混合器和光电探测器等，构成上下两个干涉仪；使用特定的跨阻放大器（TIA）和数据采集卡（DAQ）进行信号检测和数字化处理；利用多种不同的可调谐激光器作为光源进行实验测试。
下面来看看具体的研究结果：

方案和原理：从可调谐激光器发出的光，经 50% 耦合器分成两路，分别进入上、下两个不平衡干涉仪。上干涉仪（主干涉仪）两臂间光程差（Optical Path Delay，OPD）大、自由光谱范围（Free Spectral Range，FSR）小，用于高分辨率频率增量测量；下干涉仪（辅助干涉仪）OPD 小、FSR 大，确保在整个测量范围内输出信号单调，以估计光的绝对波长。
设备校准：制造的设备许多参数与波长相关，需校准。实验中用波长调谐范围广的激光器作为光源，经偏振控制器调整输入偏振，芯片的八个光输出由相应的光电探测器（PD）检测，转换为电压后数字化并传输到计算机。
可调谐激光器波长扫描参数的完整表征：使用校准后的 PIC OFD 测量可调谐激光器的波长扫描参数，能清晰识别波长（频率）变化方向，得到扫描周期、上下斜坡时间等参数，还发现扫描过程存在非线性，且上下斜坡非线性程度不同。
波长扫描纹波和重复性的表征：PIC OFD 的高分辨率使测量能发现可调谐激光器波长扫描的微小纹波，多次重复测量证明这些纹波源于激光扫描，而非测量误差，且纹波具有一定周期性。
高速光频率变化测量：测量快速可调谐外腔激光器的光频率，PIC OFD 不仅能测量高速频率扫描，还能获取 OFV 动态细节，可从 OFV 数据生成 f - clock（或 k - clock），同时发现激光调谐存在不完善之处。
高分辨率光频率变化测量：测量精细调谐的可调谐激光器，PIC OFD 能分辨 1 pm 的波长步长，还能检测波长切换时的瞬态动力学过程，以及步长与设定值的偏差；对窄线宽激光器的测量显示，其能在不同带宽下清晰测量小幅度的 OFV，分辨率可达 2 MHz（0.016 pm）。
用于光纤布拉格光栅询问的光子集成光频率探测器：利用 PIC OFD 的高分辨率和高速检测能力询问 FBG 传感器，实验中通过测量 FBG 反射光中心波长变化检测施加的应变，可清晰观察到悬臂梁振动时的应变动态变化，其应变测量分辨率在 500 Hz 时可达 0.1 - 0.2 μ?，优于市场上最好的 FBG interrogators。
在研究结论和讨论部分，该 PIC OFD 由一对不平衡 I - Q 干涉仪组成，在 TFLN 平台实现，OPD 仅 10 mm，能在 5 Hz 时测量低至 2 MHz（0.016 pm）的 OFV，受测量系统中电路噪声限制。凭借高分辨率和高速测量能力，它可精准测定可调谐激光器的各种扫描特性。作为 FBG interrogator，其应变和温度分辨率比商业产品高很多。不过，该设备目前存在插入损耗高、波长相关损耗大、受探测器背反射影响等问题。未来可通过边缘耦合、优化探测器集成方式等进行改进。此外，其波长范围可进一步扩展，且有望通过调整干涉仪参数和使用低噪声电子设备提高 OFV 分辨率。这项研究为片上 OFV 测量指明了新方向，在片上激光频率控制、光计算、FBG 询问等领域具有广阔的应用前景。