Advanced Photonics 2024年第6期文章：
Hanke Feng, Tong Ge, Yaowen Hu, Zhenzheng Wang, Yiwen Zhang, Zhaoxi Chen, Ke Zhang, Wenzhao Sun, Cheng Wang.On-chip optical vector analysis based on thin-film lithium niobate single-sideband modulators [J]. Adv. Photon. 6, 066006 (2024).
导读
光子器件都有自己独特的“指纹”。准确获得器件的多维度信息，不仅有助于新型光器件的研制，提高器件在复杂工作环境下的稳定性，还能推动对光子器件内在机理的深层理解。传统光矢量分析技术虽然能够测量强度和相位信息，但往往依赖体积庞大的离散组件，难以满足集成化和微型化的需求，且测试系统与待测器件距离较远（非原位），易受到二者间连接元件以及环境波动的影响。
近日，香港城市大学王骋教授团队成功研发出基于薄膜铌酸锂的小型化原位光矢量分析系统，该系统通过单边带调制技术实现了超高分辨率和宽带光矢量测量，为光子器件的特征分析提供了一种紧凑、灵活且高精度的解决方案，可应用于光通信、光传感、光计算和量子信息处理等各类光芯片表征。相关研究成果以“On-chip optical vector analysis based on thin-film lithium niobate single-sideband modulators”为题发表在Advanced Photonics 2024年第6期。
研究背景
光矢量分析（Optical Vector Analysis, OVA）类比于电矢量分析（Electrical Vector Analysis, EVA），是一种精确测量光学器件强度和相位响应的表征手段。然而，传统的光矢量分析方法，如光学干涉法，受限于测量分辨率，难以提取许多新兴光子器件的精密光谱特征。基于微波光子学的光矢量分析技术通过电光和光电转换，将待测信号映射到电域上，可实现超高分辨率，但其系统依赖离散、分立的光学组件，体积大、成本高，难以在移动或远程设备（如无人机、自动驾驶汽车和卫星）等场景中使用。
为了解决这一问题，研究团队基于薄膜铌酸锂光子平台，采用单边带调制技术实现了高分辨率、宽带片上光矢量分析。同时，团队还演示了“原位”矢量分析，将各种待测器件与矢量分析器集成在同一芯片上，可有效减少环境扰动和外围组件带来的测量误差，为片上光学器件的稳定和精确表征提供了强有力的支持（如图1）。
图1 基于单边带调制方案的小型化原位光矢量分析系统示意图
研究亮点
在研究中，基于薄膜铌酸锂平台的小型化光矢量分析系统在多种光子器件的原位测量中展现出强大的功能(如图2)。该系统通过超高分辨率扫描，成功捕捉了单环谐振器、双环耦合系统和耦合谐振光波导系统的多维度精细特征。通过同时测量器件的强度和相位响应，揭示了复杂光学系统精确的频谱信息和内部耦合状态。该系统的扫描精度达50 kHz且测量频谱范围突破16 THz。这种精确的原位测量可为设计高性能、大规模集成光子线路提供重要的实验参考。
图2 多种无源光子器件的原位测量示意图
此外，该光矢量分析系统还展示了对片上有源光子器件的高分辨率原位测量能力（如图3）。研究团队在动态调制的微环谐振器中成功探测到一个合成频率晶体中的布洛赫态。通过对布洛赫态的幅度和相位响应进行测量，研究人员直接观察到频率晶体的集体相位动态。随着调制功率的增加，该系统能够对合成频率晶体的状态进行精确的动态观测。这些实验结果与理论模型高度一致，进一步揭示了频率晶体能带结构中的相位变化特征，充分体现出该光矢量分析系统在揭示新物理现象和探索新物理模型方面的优势。
图3 有源光子器件的原位测量示意图
总结与展望
本研究提出了一种基于薄膜铌酸锂的小型化原位光矢量分析系统，通过单边带调制技术，实现了对光子器件宽带和高分辨率的特征分析，在捕捉光学器件的内在损耗和耦合特性方面表现出卓越的灵敏度。未来，集成化光矢量分析系统或将成为大型光子网络的重要组成部分，通过与现场可编程门阵列（FPGA）芯片结合，实现对片上器件的高精度实时监控和反馈调节。同时，该系统可进一步与铌酸锂平台上其他高性能光子器件集成，实现更丰富的表征和处理功能。例如，通过与高效电光频梳结合，可实现并行通道化测量，大大加快处理速度；与偏振操控元件集成，可提取偏振相关损耗和偏振群延迟等信息。另外，利用薄膜铌酸锂的宽透光窗口（从可见光到中红外），该系统还可在更广泛的波长范围内应用，为光通信、生物传感、原子物理等领域提供更多的研究和应用可能性。
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