第1章绪论
　　1.1光矢量分析的基本概念
　　光谱响应表征的是光芯片、光器件、光模块或光系统对不同频率光信号幅度和相位的改变程度，是光学领域科学研究、产品开发和技术应用的关键参数。根据其定义，可向待测光器件的输入端口输入一个频率变化的光信号，通过比较输入输出端光信号的幅度和相位变化进行测量。其中幅度响应一般以分贝（dB）为单位，相位响应用弧度（rad）或者度（°）来表示。
　　在光信息技术的发展初期，人们常采用操控幅度的方式来实现信息的获取、传递和处理，因而，在光芯片、光器件、光模块和光系统的研制、生产与应用中仅需测量其幅度响应。这种光谱响应测量技术一般称为光标量分析技术。近年来，信息容量呈现出爆炸式增长态势，需要采用更多维度的光谱资源（相位、时间、偏振、模式等）承载信息。这就要求光器件等具备操控多维光谱的能力。对应地，也需要对多维光谱响应进行测量。为此，人们发展出了光矢量分析技术，用以测量多维度的光谱响应，如基础的幅度和相位响应，以及由其推算获得的插入损耗、群时延、色散、偏振相关损耗、偏振模色散、琼斯矩阵、冲激响应、Q值、线性展宽因子等多种参数：
　　（1）插入损耗（insertion loss，IL），是指光器件对光信号的衰减量，可对测得的幅度响应取倒数获得。
　　（2）群时延（groupdelay，GD），是指各频率分量的振幅包络的时延，可通过相位响应的微分获得。
　　（3）色散（dispersion），是指光器件中不同频率光信号的传输速度不同，从而导致所需的传输时间不同，可通过相位响应的二阶微分获得。同理，高阶色散可通过相位响应的髙阶微分获得。
　　（4）偏振相关损耗（polarizationdependent loss，PDL），是指光器件对同一频率但不同偏振态光信号的最大损耗和最小损耗的差值，可结合偏振控制模块测量若干或遍历所有偏振态上的幅度响应解算获得。
　　（5）偏振模色散（polarizationmode dispersion，PMD），是指不同偏振模式的传播速度不同，从而导致光脉冲在光器件中传输时发生展宽，可结合偏振控制模块测量若干偏振态上的幅度和相位响应解算获得。
　　（6）琼斯矩阵（Jones matrix），是描述光器件对光信号幅度、相位和偏振改变的2x2矩阵，可通过测量不同偏振态的幅度和相位响应获得。
　　其他多种参数也可以通过测量不同偏振、模式等状态下的幅度和相位响应获得。
　　1.2光矢量分析的研究概况
　　光波和微波本质上都是电磁波，均可用麦克斯韦方程组（Maxwell’s equations）表示。因而，光学领域频谱响应测试仪表的发展历程与微波领域仪表类似。
　　在微波领域，微波器件频谱响应测试仪表经历了从低分辨率标量网络分析仪到高分辨率矢量网络分析仪的发展历程[1]。20世纪60年代之前，人们主要釆用微波幅度来承载信息，因而在微波器件的研制、生产以及应用过程中仅需关心幅度响应，标量网络分析仪（仅能测量幅度响应）即可满足测试需求[2，3]。图1.1为早期的微波标量网络分析仪，其体积庞大、操作复杂、测量分辨率低，还需配备专业技术人员。然而，随着无线通信[卜5]和相控阵天线[6-8]的快速发展，相位信息越来越受重视，用于提高微波频谱效率或实现信号灵活处理，因此微波器件相位响应信息变得极为重要。矢量网络分析仪（vector network analyzer，VNA），作为可同时获取微波器件幅度和相位响应的仪表，逐渐走上历史舞台[9-11]。它的发明有力推动和支撑了微波器件及系统的创新与飞速发展，造就了无比辉煌的微波产业。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表，被称为微波领域的“仪器之王”和“万用表”。图1.2为一款典型的商用微波矢量网络分析仪。
　　1.2光矢量分析的研究概况
　　图1.2商用微波矢量网络分析仪（中电科思仪科技3674系列）
　　类似的故事正在光子领域重演。此前，无论光通信、光传感还是光信息处理，主要釆用光波的幅度来承载信息，只需光标量分析技术即可支撑光器件的研制生产和光子技术的创新突破[12—18]。光标量分析技术通常釆用宽谱光源或扫频光源作为信号光源，光功率计或光谱分析仪记录光功率的变化，从而获得待测光器件的幅度响应。然而，近年来不断扩大的信息类别、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，使曾经被认为是取之不尽、用之不竭的光谱资源变得越来越紧张，提高光谱效率已成为有效解决途径和必然发展趋势p-23]。这就要求人们从单一维度（幅度卜粗粒度的光谱操控向多维度（幅度、相位、偏振等）、高精细度转变。相应地，光谱测量技术也要从低分辨率的标量分析技术向高分辨率的矢量分析技术演进。
　　高分辨率光矢量分析技术可有效支撑大容量光通信、光子集成、超高精度计量、单分子检测、慢光存储、片上光信号处理等领域的研究，对其进行深入研究具有十分重要的意义。
　　（1）面向光通信产业升级的光子集成芯片与器件在研发和生产过程中，需要多维度、高分辨率频谱响应测量仪器提供功能与性能表征。
　　随着数据容量的不断增长，包括幅度、相位、频率、偏振甚至模场分布在内的多维光谱资源都被用来承载信息，信息的传输、接收和处理发生了前所未有的变化[24，25]。相应地，新型光器件也需具备精细操控多维光谱的能力。精确测量这些光器件的幅度、相位以及偏振响应已成为相关领域创新突破的必然需求和重要前提。
　　此外，光信息系统单个信道的带宽（或频谱复用的粒度）越来越小，例如，光接入网标准之一超密集波分复用无源光网络的信道间隔为吉赫兹量级；光正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）系统子载波带宽通常在百兆赫兹量级；而微波光子系统则要求能分辨数十兆赫兹间隔的无线信道[26-28]o光电子加工工艺的不断进步、频谱复用能力的不断提高、相干信号处理技术的不断发展支撑着光子芯片频谱操控精细度的不断提升。然而，传统光器件测试仪表的频谱分辨率较低，难以为具有高精细光频谱操纵能力光器件的研制、生产和应用提供必要的测试手段。
　　以光子集成基础单元之一一光学微谐振器（微环、微盘、微球等）为例，这种光子器件被广泛用于微型激光器、高效光调制、超高速光开关、慢光存储、片上光信号处理、高精度时间同步等，已在Science、iVatore及其子刊上报道了上百次，孕育着新一代光信息系统的希望。为实现上述高性能微谐振器的研制、生产和应用，必须对其频谱响应（包括幅度、相位和偏振响应）进行精确测量以表征其性能。现有光学微谐振器的g值最高可达6xl01C），亦即3dB带宽为飞米（lxl0-15m）量级，传统光矢量分析技术已难以精确测得其频谱响应。
　　（2）以超高精度计量为基础的单分子检测、慢光存储、片上光信号处理、高精度时间同步等科学前沿的研究，也需要多维度、髙分辨率频谱响应测量仪器作为测试手段。
　　单分子检测、慢光存储、片上非线性效应、高精度传感、微型激光器、超高稳定激光器、光子计算、高速光开关、电磁诱导透明等研究方向，本质上都希望在极小的光谱范围内形成急剧的幅度或相位突变（亦即极高的g值）。
　　作为环境监测与生物传感领域的技术前沿，单分子/微粒无标签检测，可用于大气环境的精确监测与分析，以及细菌、病毒、血液甚至DNA（deoxyribo-nucleic acid，脱氧核糖核酸）的快速高效检测，其主要难点是如何提高检测灵敏度。光波的绝对频率极高（可达数百太赫兹），对外界环境变化十分敏感，是单分子/微粒检测的有效载体。传统光波导中，光子在其有限的寿命中仅能与附着的粒子发生一次或若干次作用，难以进行高精度、高灵敏度测定。而在高g值光谐振器中，光子在其有限的寿命中可循环上万甚至百万次，单个待测粒子黏附于该器件表面时，将与光子发生上万甚至百万次的作用，成数量级地提高单分子的检测灵敏度和传感精度。目前，上述单分子/微粒检测的灵敏度极限受限于光谐振器频谱响应的测量分辨率。当微球半径为100（xm、谐振波长为1300nm时，若要测到半径为0.5pm、密度为1pg/mm2的粒子，要求频谱响应的测量分辨率为6fm（约为0.75MHz1300nm）。若要测量半径更小的分子/微粒，则需分辨率更高的光矢量分析技术作为测试解调手段。
　　由于光速太快，人们难以对其进行长时间存储和高效率处理。若能有效控制光在介质中的速度，形成慢光效应，则光存储、光分组交换等均有可能成为现实。同时，慢光还能增加光与物质、光与光、光与微波等的相互作用时间，从而有助于实现超高效光调制[441和超强非线性效应[451，有望在极小的面积上以非常低的功耗实现光子信号处理。因此，慢光技术孕育着人类在集成光子信号处理、光子计算等领域的关键进展。慢光的物理本质是，其中丁为光延时，Ap为相位变化，Ao；为光谱范围，亦即要想获得极慢的速度，必须要在极小的光谱带宽上形成急剧的相位变化，这必然需要高分辨率的光矢量分析技术作为实验测试手段。
　　高精度时间同步丨一般基于窄线宽激光或低相噪微波丨是大型科学设施丨如自由电子激光器、粒子加速器等）、高精度雷达、射电望远镜阵列、航天测控网络、全球定位系统等的基础，关系着通信、航空、航天、国防等领域的重要突破。例如，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）和欧洲航天局（European Space Agency，ESA）已设计出空间激光干涉天线（laser interferometer space antenna，LISA），实现了引力波的精确测量，其要求激光的相干长度达到lxl09m，对应的激光器线宽在毫赫兹量级。当前，高稳定度振荡源的实现方式主要有直接振荡和外部稳频两种，两者本质上都需要具有高g值频谱响应的器件与系统，且g值越大，产生的激光或微波质量越高，因此，高分辨率光矢量分析技术也可用于其系统性能评估。
　　综上所述，大容量光通信产业升级中核心光子器件与集成芯片的研制和生产，以及超高精度计量、单分子检测、慢光存储、片上光信号处理、高精度时间同步等前沿研究，都要求光器件能够对光谱进行多维度、高精细度的操控（操控精细度在飞米级别），对光矢量分析技术的分辨率和精度提出了极高的要求。
　　1.3光矢量分析的实现原理及主要进展
　　要测量光器件的频谱响应，须首先使用宽谱光源或扫频光源泵浦出其频谱响应，即将频谱响应转换为光信号某种特性（幅度、相位或偏振）的变化，而后对该信号进行分析反演。
　　根据光源特点和所采用的信号分析方法，现有的光器件频谱响应测量方法可大致分为四类：①基于宽谱映射的光标量分析技术；@基于光干涉的光矢量分析技术；③基于宽带电光调制的光矢量分析技术；④单边带扫频光矢量分析技术。
　　1.3.1基于宽谱映射的光标量分析技术
　　该技术是目前应用最广泛的光器件分析手段，一般采用放大自发辐射（am-plified spontaneous emission，ASE）光源或超辐射发光二极管（super luminescent diodes，SLD）作为宽谱光源泵浦出待测光器件的频谱响应，然后釆用光谱分析仪（optical spectrum analyzer，OSA）观测所接收信号的光谱，与原信号光谱对比，推算出待测光器件的幅度响应。图1.3为基于宽谱映射的光标量分析技术原理框图。
　　由于光谱仪主要采用空间光栅将不同频率的光信号在空间上分开，然后利用机械狭缝扫描出各频谱分量的功率，狭缝的频谱宽度决定了光谱分辨率，因而该方法的频谱分辨率一般较低，通常大于10pm。同时，由于光谱仪仅能获取功率信息，因而该方法只能测量光器件的幅度响应，无法获取相位信息，即只能对光器件进行标量分析。此外，该方法仅能测量线性光器件的幅度响应，无法测得非线性器件的幅度响应。