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国家自然科学基金重大科研仪器研制项目 "超高分辨率光矢量分析仪(61527820)"项目成果简介
发表于:2021-01-11 09:19:36

一、项目背景

      随着例如5G通信和第五代雷达等新一代军民基础信息技术的兴起,引发底层光信息系统升级换代,并且对高端光器件提出迫切需求。与之相同增长的是对各种光器件的测试分析技术的需求,其在光器件的研制和生产中起到基础支撑作用。与之类似,在起点较早的微波领域,矢量网络分析仪,作为可同时获取微波器件幅度和相位响应的仪表,逐渐走上了历史舞台。如今,矢量网络分析仪已是微波器件研制、生产、检测和应用过程中不可或缺的仪器。 在光子领域,近年来不断涌现的宽带业务、不断提高的服务质量要求、以及不断指数增长的接入设备,使曾经被认为取之不尽用之不竭的光谱资源变得越来越紧张,提高光谱利用效率成了重要的解决途径和必然的发展趋势。这就要求人们从单一维度(主要是幅度)、粗粒度的操控光谱向多维度、高精细度转变。我们比较现有的光矢量分析技术,其采用光学手段分析光学器件,最高分辨率已达200MHz (光频的百万分之一)。但新一代光信息系统要求测量分辨率达到光频的十亿分之一(百kHz),已有方法难以实现。并且这样的高性能测试仪器无法做到国产化,其技术被美国公司所垄断,国有高性能测试仪器的缺失也导致了我国对高端光器件的研发与生产遇到障碍。例如包括光模块、光芯片等高端光器件国产化率仅3%。

  综上所述,光子技术的飞速发展迫切需要光器件测试仪表从单一维度、低分辨率的光标量分析仪演进到多维度、超高分辨率的光矢量分析仪。当前市场上已有的光矢量分析仪(仅美国Luna公司有商用产品OVA5000,如图1所示)分辨率仅为1600fm(约200MHz@1550nm), 无法支撑和保障先进光器件的研制、检测与应用。针对光器件对超高分辨率矢量响应测试的需求,本项目拟基于微波光子技术研制分辨率为fm量级、能够同时测试幅度、相位和偏振响应的全新光矢量分析仪,用于在光子芯片和器件的创新研究中获取传统仪表难以测量到的新数据,从而有力支撑相关领域发现新现象、揭示新规律、验证新原理。

图1.LUNA公司的OVA5000及其基本原理示意图

二、项目研究成果

      在国家自然科学基金重大科研仪器研制项目的支持下,项目组突破了国际上现有光矢量分析的技术方案,创造性地采用微波光子学方法,将粗粒度的光域波长扫描转换成超高分辨率的微波频率扫描,辅以高精度的微波幅相检测,突破了传统方法对测量分辨率和相位精确度的限制,基本原理如图2所示。攻克了测量范围窄、动态范围小、非线性误差大三项关键技术难题,通过软硬件架构设计和优化、关键模块研发、可靠性设计和优化,最终形成了具有国际领先水平的超高分辨率光矢量分析仪表。

2.基于光单边带调制的OVA基本原理示意图

  项目执行期内,在Nature Communications、Photonics Research、IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology、IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques、Optics Letters、Optics Express等本领域国际著名期刊发表SCI论文106篇,其中特邀论文5篇,特邀教程1篇;在本领域重要国际会议上发表会议论文65篇,作60分钟特邀教程报告1次,作特邀报告19次;申请发明专利54项(含美国专利2项,PCT专利2项),已授权42项(含美国发明专利2项)。

1.突破关键技术

关键技术1基于光频梳通道化测量的测量范围拓展技术

      微波器件、电光调制器以及光电探测器工作带宽较小,一般为40 GHz(0.32 nm@1550 nm),限制了矢量分析技术的测量范围,其测量范围难以突破40 GHz,远无法满足光子器件上GHz甚至上THz测量范围的需求。具有高精细光谱操控能力光子器件与核心光子集成芯片的研制、检测、生产和应用均需宽带、高分辨率的光矢量分析技术作为支撑。尽管基于光单边带扫频的光矢量分析技术具有fm级别的测量分辨率,但其测量范围仅为40 GHz,远无法满足上述宽带、高分辨率的光矢量分析需求。

  针对测量范围窄,提出基于光频梳通道化测量的测量范围拓展技术。超窄线宽激光器产生的光信号通过光频梳发生器,激发出光频梳信号;模式选择模块按顺序滤出其中一根光梳齿,并生成非对称光探测信号;非对称光探测信号经过待测光器件后,携带上其光谱响应;接收机从非对称光信号中提取光谱响应,从而消除了高阶边带和其他有害成分的影响;通过扫描非对称光探测信号的波长,可获得该光频梳对应的波长通道中的光谱响应;选择其他光梳齿并进行上述操作,可得到光频梳覆盖范围内的光谱响应。在实验中,实现了分辨率为334 Hz、动态范围大于 90 dB、测量范围为1.075 THz的光器件光谱响应的测量,结构示意图和测量结果如图3所示。这项工作将为前沿光器件的研制和相关物理现象的探索提供测量支持。

3.基于光频梳通道化测量和频谱整合的测量范围拓展技术结构示意图及其测量结果


关键技术2:基于光希尔伯特变换和平衡光电探测的动态范围提升技术

      实际的光单边带扫频信号边带抑制比是有限的,残留的一阶边带会在光矢量分析结果中引入测量误差,影响矢量分析的准确度。特别是在测量带阻光器件时,由于扫频边带受阻带抑制,其功率将接近甚至小于残留边带,因而残留一阶边带引入的测量误差接近甚至大于待测光器件实际的频率响应,使得光矢量分析结果存在极大的测量误差,无法准确获得阻带深度,限制了系统动态范围。

  针对动态范围受限于镜像边带抑制比的关键问题,研究分析了光单边带调制信号中镜像边带对光矢量分析准确度的影响并建立了相应模型,并将基于光希尔伯特变换和平衡光电探测的动态范围提升技术应用于光矢量分析系统,平衡光电探测时镜像边带和光载波的拍频信号以及相邻高阶边带拍频信号等幅同相因而对消,从而消除了镜像边带和电光调制非线性对测量结果准确度的影响,等效提高了光单边带信号的边带抑制比和线性度,进而提升了光矢量分析系统的动态范围和测量精度。对比镜像边带和非线性误差抑制前的测量结果,本项目所提出的动态范围提升技术十分有效地抑制了镜像边带和电光调制非线性引入的测量误差,实现了大动态光矢量分析,结构装置图和测量结果如图4所示。

4.采用动态范围提升技术的光矢量分析系统实验装置图及其测量结


关键技术3:高效非线性误差消除技术

  现有电光调制器均具有非线性效应,使得光单边带调制信号中存在高阶边带。当电光调制器工作在小调制系数情况下,高阶边带因其功率远小于一阶边带,其对光矢量分析准确度的影响可忽略。然而,为提高光电探测器所输出光电流的信噪比,降低噪声,提高光矢量分析准确度,电光调制器需工作于较大的调制系数。这使得高阶边带具有较高的功率,其引入的测量误差会对光矢量分析结果的准确度产生影响。

  针对测量系统中的高阶非线性误差,项目提出基于双波长扫频与微波光子下变频的低频幅相接收技术,采用微波光子下变频将高速光电探测和超宽带幅相检测转换为低速光电探测和低频微波幅相检测,极大地降低了光幅相提取单元的复杂度,同时避免引入非线性误差。最终实验频率分辨率为10kHz,动态范围大于75dB,结构和原理图如图5所示。

5.基于双波长扫频与微波光子下变频的光矢量分析技术原理框图及其测量结果


2. 项目所研制仪表

      融合上述关键技术,通过软硬件架构设计和优化、关键模块研发、可靠性设计和优化,研制出大动态、超宽带、高精度的超高分辨率光矢量分析仪,实现了多型高端光器件的创新、优化和量产。项目根据光矢量分析仪表的特点,在仪器外形布局设计、和可生产性设计等方面进行优化提升,提高产品的综合性能,研制的样机如图6所示。目前,项目所研制的超高分辨率光矢量分析仪支撑了47种高端光芯片、器件、组件和子系统的研发,其中31种实现了量产,本项目样机与LUNA OVA5000性能对比如表1所示。

6.本项目研制的超高分辨率光矢量分析仪

1.与LUNA OVA5000 对比


三、权威认证

1.科技成果鉴定

      项目研究成果通过了中国仪器仪表学会的科技成果鉴定,以中国科学院祝世宁院士、中国工程院贲德院士、中国光学学会副理事长/光电专委会主任倪国强教授、中科院上海光机所原所长朱健强研究员、国家重点基础研究发展计划第四届信息领域专家咨询组成员东南大学沈连丰教授、南京大学智能光传感与调控系统教育部重点实验室主任张旭苹教授、香港理工大学光纤光学研究主席/OSA Fellow吕超教授等组成的科技成果鉴定专家组对“超高分辨率光矢量分析技术及应用(证书编号:仪学鉴字 [2019]003号)”的鉴定结论为 “该项目形成了全新的光矢量分析技术,属于国际首创;基于该技术研制的仪器关键技术指标达到了国际领先水平;仪器已获得了重要应用,取得了显著的经济和社会效益。”

2.第三方权威机构测试

  项目成功研制了超高分辨率光矢量分析系列仪表,通过了华东电子测量仪器研究所光电计量校准中心(国防科技工业光电子一级计量站)检测认证,如图7所示。

       ♦  频率分辨率:50 kHz(相比国际上唯一的商用光矢量分析仪提升了4000倍);

       ♦  相位精确度:±0.2°(提升了15倍);

       ♦  幅度精确度:±0.2 dB

       ♦  动态范围:75 dB(提升15倍,约31倍);

       ♦  波长范围:1528 nm ~ 1565 nm

7.计量站检测报告


3.获奖情况

      项目研究成果获得了“2019年度江苏省科学技术奖一等奖”,项目名称:超高分辨率光矢量分析技术及应用,证书编号:2019-1-1-R1,如图8所示,南京航空航天大学为第一完成单位。

8.江苏省科学技术奖一等奖证书

4. 国内外评价

      项目发明的超高分辨率光矢量分析技术被美国光学学会原主席/美国工程院院士Willner教授、加拿大工程院/皇家学院院士/IEEE PTL主编Yao教授等应用于新型光器件研制,并被评价为测量光器件幅相响应的最有效(the most effective)方式,最佳选择(the best option),理想(ideal)技术,或强有力(powerful)方法等。美国光学学会原主席/美国工程院院士A. E. Willner教授等采用项目组提出的方法评估其课题组研制的基于受激布里渊散射的光滤波器性能。Opt. Lett.副编辑/香港中文大学C. Shu教授,荷兰LioniX集成光子学平台创始人/首席科学家C. Roeloffzen教授,清华大学OSA Fellow罗毅教授,华中科大973首席刘德明教授,华中科大OSA Fellow张新亮教授等十余个国内外课题组也采用申请人提出的光矢量分析方法来解决新型光子器件、芯片或系统的高分辨率测量问题。


四、项目成果应用转化情况

      本项目发展出了全新的超高分辨率光矢量分析技术,成功研制了完全具有自主知识产权的超高分辨率光矢量分析仪系列仪表。已大量应用于新型光子集成芯片、新型光通信、关键国防装备等战略领域的高端光器件研发和生产。华为、海思光电子、长飞光纤(601869.SH)、中航光电(002179.SZ)、航天电器(002025.SZ)、光迅科技(002281.SZ)等信息领域龙头企业将本项目技术应用于高精度延时光连接器组件、精确时延光缆、稳相光缆、光纤水听干涉器、高速光模块芯片等高端光器件的研发,并实现量产,在我国新一代相干光通信系统、新一代战机、最新型预警雷达、舰载雷达和电子战系统中发挥着稳定的作用。

    此外,还支撑了中电14所、中电55所、航天二院23所、武汉光电国家研究中心、东南大学、中科院半导体所等科研院所,江苏光扬光电科技有限公司、苏州光环科技、深圳市伽蓝特科技有限公司、武汉森辉光电科技有限公司等光信息领域企事业单位的国家重大项目的技术突破、高端光器件和芯片的研发、原有产品性能和生产效率的提升。