在光纖通信、精密測量、量子技術(shù)等領(lǐng)域，光開(kāi)關(guān)作為核心的光路控制器件，其性能直接決定了整個(gè)系統的信號質(zhì)量。傳統單光開(kāi)關(guān)在關(guān)閉時(shí)，難以避免因串擾（Cross Talk）產(chǎn)生的“漏光”現象，這如同房門(mén)關(guān)不嚴實(shí)透進(jìn)光線(xiàn)，導致背景噪聲升高，嚴重劣化光信號的信噪比（SNR），尤其在探測微弱光信號或生成高精度光脈沖時(shí)，這一問(wèn)題尤為突出。

近期，一項由中國計量科學(xué)研究院提出的創(chuàng )新專(zhuān)利技術(shù)（CN117666172A），為我們提供了一種極具實(shí)用價(jià)值的解決方案。廣西科毅光通信科技有限公司 作為專(zhuān)注于光開(kāi)關(guān)研發(fā)與制造的企業(yè)，深入解讀這一技術(shù)，并將其核心思想轉化為能夠提升產(chǎn)品性能與系統穩定性的工程實(shí)踐。本文將詳細介紹這種基于雙光開(kāi)關(guān)串聯(lián)的脈沖生成方法，揭示其如何有效抑制漏光、提升開(kāi)關(guān)效率，并拓展其在各類(lèi)光電測量系統中的應用。

傳統光開(kāi)關(guān)的挑戰與核心問(wèn)題

光開(kāi)關(guān)的本質(zhì)是光路的“電子門(mén)衛”。理想情況下，“開(kāi)門(mén)”時(shí)信號無(wú)損通過(guò)，“關(guān)門(mén)”時(shí)信號完全阻斷。但現實(shí)是，由于材料特性、電路驅動(dòng)精度和物理設計限制，在關(guān)斷狀態(tài)下仍有少量光“泄漏”過(guò)去，這就是漏光。這些漏光形成了穩定的背景噪聲，當需要提取微弱的有效光脈沖信號時(shí)，信噪比就會(huì )大幅下降。對于追求極限精度的高端應用，如單光子探測、激光雷達、超快光學(xué)等，這成為了一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

創(chuàng )新解決方案：串聯(lián)光開(kāi)關(guān)架構

該專(zhuān)利技術(shù)的核心思想樸素而高效：將兩個(gè)光開(kāi)關(guān)串聯(lián)使用。就像安裝兩道門(mén)，即使第一道門(mén)有縫隙漏了光，第二道門(mén)還能再進(jìn)行一次阻斷，從而將總的漏光量降低為兩個(gè)開(kāi)關(guān)漏光率的乘積，顯著(zhù)提升系統的整體關(guān)斷比（消光比）。

下圖清晰地展示了這一基本系統構成：

 圖1：雙光開(kāi)關(guān)串聯(lián)系統基本架構。光源發(fā)出的光依次通過(guò)由脈沖發(fā)生器驅動(dòng)的一級和二級光開(kāi)關(guān)，實(shí)現對光路的雙重控制。

系統核心構成：

1. 第一光開(kāi)關(guān)：接收來(lái)自光源的連續或脈沖入射光，作為第一級控制。

2. 第二光開(kāi)關(guān)：其光信號輸入端直接連接第一光開(kāi)關(guān)的輸出端，進(jìn)行第二級精篩。

3. 脈沖發(fā)生器：系統的“大腦”。它同時(shí)向第一和第二光開(kāi)關(guān)提供電脈沖驅動(dòng)信號（分別為第一電脈沖信號和第二電脈沖信號）。這兩個(gè)信號可以相同，也可以不同，其時(shí)間關(guān)系的精確控制是本技術(shù)產(chǎn)生高級功能的關(guān)鍵。

4. 光源：為整個(gè)系統提供初始光輸入。

工作原理與優(yōu)勢：

當脈沖發(fā)生器發(fā)出指令關(guān)閉光路時(shí)，第一光開(kāi)關(guān)首先動(dòng)作。假設其漏光率為1%，那么有99%的光被阻斷，但仍有1%的漏光抵達第二光開(kāi)關(guān)。第二光開(kāi)關(guān)再次執行關(guān)閉操作，假設其漏光率也為1%，那么最終從系統輸出的漏光量就僅為初始光強的 0.01% (1% × 1%)。這使得系統本底噪聲急劇降低，輸出光信號的信噪比得以大幅提升。

進(jìn)階應用：生成超窄與可編程光脈沖

除了抑制漏光，該串聯(lián)架構更巧妙的應用在于主動(dòng)生成比單個(gè)光開(kāi)關(guān)能力所及更窄的光脈沖，或進(jìn)行脈沖采樣與選擇。這依賴(lài)于對驅動(dòng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)的電脈沖信號進(jìn)行精確的時(shí)序控制。

單個(gè)光開(kāi)關(guān)受限于其物理響應時(shí)間（如聲光、電光效應的建立時(shí)間），其開(kāi)啟窗口（脈寬）很難做到極短（例如數納秒級）。通過(guò)讓驅動(dòng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)的脈沖信號在時(shí)間上產(chǎn)生一個(gè)精密的“交錯”，只有兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)處于“開(kāi)啟”狀態(tài)的時(shí)間窗口內，光才能通過(guò)系統，從而得到一個(gè)比任一驅動(dòng)脈沖本身都窄的有效光脈沖。

圖2 光開(kāi)關(guān)的短脈沖交錯示意圖之一

圖3 光開(kāi)關(guān)的短脈沖交錯示意圖之二

圖4 光開(kāi)關(guān)的短脈沖交錯示意圖之三

圖2-4：通過(guò)調整驅動(dòng)兩個(gè)光開(kāi)關(guān)的電脈沖信號的頻率、脈寬和延遲時(shí)間，可以產(chǎn)生不同形狀和寬度的輸出光脈沖，實(shí)現脈沖壓縮與整形。

技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)：

• 脈沖交集：通過(guò)設置第一和第二電脈沖信號產(chǎn)生時(shí)間的不同，使第一光開(kāi)關(guān)輸出的光脈沖與第二光開(kāi)關(guān)的驅動(dòng)脈沖在時(shí)間上僅部分重疊，最終輸出脈沖即為這個(gè)重疊區間。

• 延時(shí)計算：第二電脈沖信號相對于第一電脈沖信號的延遲時(shí)間，需根據光信號在兩個(gè)開(kāi)關(guān)間的光纖傳輸時(shí)間以及第二光開(kāi)關(guān)本身的預設開(kāi)關(guān)響應時(shí)長(cháng)進(jìn)行精密計算和校準，以確保脈沖交集的精確形成。

系統擴展與典型應用場(chǎng)景

這一高度靈活的系統可以輕松地與各種后端探測與測量設備集成，形成功能強大的解決方案。

1. 與脈沖光電測量系統聯(lián)用

系統輸出的高信噪比、窄脈寬光脈沖，可以直接送入脈沖光電測量系統（如高速光電探測器+示波器、時(shí)間相關(guān)單光子計數系統TCSPC等），用于表征激光脈沖特性、測量熒光壽命、進(jìn)行激光雷達模擬等。

圖5：雙光開(kāi)關(guān)系統作為前置脈沖采樣器，為后端脈沖光電測量系統提供優(yōu)質(zhì)信號源。

2. 賦能單光子級探測：與光子數分辨探測器聯(lián)用

在量子光學(xué)、熒光光譜等需要探測極微弱光（到達單光子水平）的領(lǐng)域，光子數分辨探測器（PNRD） 是關(guān)鍵設備。然而，當光源較強或脈沖重復頻率過(guò)高時(shí)，探測器會(huì )因光子堆積而無(wú)法準確分辨單個(gè)脈沖內的光子數統計分布。

圖6：通過(guò)光開(kāi)關(guān)系統將強光衰減并裁剪成稀疏的脈沖，使其適配光子數分辨探測器的動(dòng)態(tài)范圍。

本系統在此扮演了“智能衰減器”和“脈沖門(mén)控”的角色：

• 功率衰減：通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟時(shí)間極短，將入射光強衰減到單光子水平。

• 脈沖稀疏化：即使面對高重頻光源，也可以通過(guò)控制開(kāi)關(guān)僅在特定的、間隔較大的時(shí)間窗口開(kāi)啟，從而“挑選”出獨立的脈沖給探測器處理，避免堆積。
       

  
       

圖7：在實(shí)際應用中，光源可能先照射樣品（物體），經(jīng)透射或反射后，再通過(guò)窄帶濾光片進(jìn)行波長(cháng)選擇，最后進(jìn)入光開(kāi)關(guān)系統進(jìn)行分析。

3. 高重頻光源下的脈沖選擇

當光源的重復頻率遠高于后端探測器（如PNRD）的讀出速度時(shí)，需要額外的脈沖選擇器。此時(shí)，雙光開(kāi)關(guān)系統可以配置為僅允許特定間隔的光脈沖通過(guò)，從而將數據流“降頻”到探測器可處理的速率，確保每次測量對應一個(gè)清晰的光脈沖事件。

圖8 光開(kāi)關(guān)中光源的重復頻率和光子數分辨探測器的讀出速度對比示意圖之一

圖9 光開(kāi)關(guān)中光源的重復頻率和光子數分辨探測器的讀出速度對比示意圖之二

圖10 光開(kāi)關(guān)中脈沖選擇器對光信號進(jìn)行脈沖選擇示意圖

圖8-10：通過(guò)脈沖選擇功能，使高重頻光源信號與低速探測器相匹配，確保測量準確性。

這項雙光開(kāi)關(guān)串聯(lián)技術(shù)，通過(guò)經(jīng)典的級聯(lián)思想解決了光開(kāi)關(guān)領(lǐng)域固有的漏光難題，同時(shí)利用時(shí)序控制的巧思，衍生出了脈沖壓縮、采樣與選擇等強大功能。它并非替換傳統光開(kāi)關(guān)，而是通過(guò)系統級創(chuàng )新，極大地拓展了光開(kāi)關(guān)的應用邊界和性能上限。

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