在光纖通信、精密測量、量子技術(shù)等領(lǐng)域，光開關(guān)作為核心的光路控制器件，其性能直接決定了整個系統(tǒng)的信號質(zhì)量。傳統(tǒng)單光開關(guān)在關(guān)閉時，難以避免因串擾（Cross Talk）產(chǎn)生的“漏光”現(xiàn)象，這如同房門關(guān)不嚴實透進光線，導(dǎo)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，這一問題尤為突出。

近期，一項由中國計量科學研究院提出的創(chuàng)新專利技術(shù)（CN117666172A），為我們提供了一種極具實用價值的解決方案。廣西科毅光通信科技有限公司 作為專注于光開關(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(zhuǎn)化為能夠提升產(chǎn)品性能與系統(tǒng)穩(wěn)定性的工程實踐。本文將詳細介紹這種基于雙光開關(guān)串聯(lián)的脈沖生成方法，揭示其如何有效抑制漏光、提升開關(guān)效率，并拓展其在各類光電測量系統(tǒng)中的應(yīng)用。

傳統(tǒng)光開關(guān)的挑戰(zhàn)與核心問題

光開關(guān)的本質(zhì)是光路的“電子門衛(wèi)”。理想情況下，“開門”時信號無損通過，“關(guān)門”時信號完全阻斷。但現(xiàn)實是，由于材料特性、電路驅(qū)動精度和物理設(shè)計限制，在關(guān)斷狀態(tài)下仍有少量光“泄漏”過去，這就是漏光。這些漏光形成了穩(wěn)定的背景噪聲，當需要提取微弱的有效光脈沖信號時，信噪比就會大幅下降。對于追求極限精度的高端應(yīng)用，如單光子探測、激光雷達、超快光學等，這成為了一個關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

創(chuàng)新解決方案：串聯(lián)光開關(guān)架構(gòu)

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

下圖清晰地展示了這一基本系統(tǒng)構(gòu)成：

 圖1：雙光開關(guān)串聯(lián)系統(tǒng)基本架構(gòu)。光源發(fā)出的光依次通過由脈沖發(fā)生器驅(qū)動的一級和二級光開關(guān)，實現(xiàn)對光路的雙重控制。

系統(tǒng)核心構(gòu)成：

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

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

3. 脈沖發(fā)生器：系統(tǒng)的“大腦”。它同時向第一和第二光開關(guān)提供電脈沖驅(qū)動信號（分別為第一電脈沖信號和第二電脈沖信號）。這兩個信號可以相同，也可以不同，其時間關(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：為整個系統(tǒng)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，第一光開關(guān)首先動作。假設(shè)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關(guān)。第二光開關(guān)再次執(zhí)行關(guān)閉操作，假設(shè)其漏光率也為1%，那么最終從系統(tǒng)輸出的漏光量就僅為初始光強的 0.01% (1% × 1%)。這使得系統(tǒng)本底噪聲急劇降低，輸出光信號的信噪比得以大幅提升。

進階應(yīng)用：生成超窄與可編程光脈沖

除了抑制漏光，該串聯(lián)架構(gòu)更巧妙的應(yīng)用在于主動生成比單個光開關(guān)能力所及更窄的光脈沖，或進行脈沖采樣與選擇。這依賴于對驅(qū)動兩個開關(guān)的電脈沖信號進行精確的時序控制。

單個光開關(guān)受限于其物理響應(yīng)時間（如聲光、電光效應(yīng)的建立時間），其開啟窗口（脈寬）很難做到極短（例如數(shù)納秒級）。通過讓驅(qū)動兩個開關(guān)的脈沖信號在時間上產(chǎn)生一個精密的“交錯”，只有兩個開關(guān)同時處于“開啟”狀態(tài)的時間窗口內(nèi)，光才能通過系統(tǒng)，從而得到一個比任一驅(qū)動脈沖本身都窄的有效光脈沖。

圖2 光開關(guān)的短脈沖交錯示意圖之一

圖3 光開關(guān)的短脈沖交錯示意圖之二

圖4 光開關(guān)的短脈沖交錯示意圖之三

圖2-4：通過調(diào)整驅(qū)動兩個光開關(guān)的電脈沖信號的頻率、脈寬和延遲時間，可以產(chǎn)生不同形狀和寬度的輸出光脈沖，實現(xiàn)脈沖壓縮與整形。

技術(shù)關(guān)鍵點：

• 脈沖交集：通過設(shè)置第一和第二電脈沖信號產(chǎn)生時間的不同，使第一光開關(guān)輸出的光脈沖與第二光開關(guān)的驅(qū)動脈沖在時間上僅部分重疊，最終輸出脈沖即為這個重疊區(qū)間。

• 延時計算：第二電脈沖信號相對于第一電脈沖信號的延遲時間，需根據(jù)光信號在兩個開關(guān)間的光纖傳輸時間以及第二光開關(guān)本身的預(yù)設(shè)開關(guān)響應(yīng)時長進行精密計算和校準，以確保脈沖交集的精確形成。

系統(tǒng)擴展與典型應(yīng)用場景

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

1. 與脈沖光電測量系統(tǒng)聯(lián)用

系統(tǒng)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(tǒng)（如高速光電探測器+示波器、時間相關(guān)單光子計數(shù)系統(tǒng)TCSPC等），用于表征激光脈沖特性、測量熒光壽命、進行激光雷達模擬等。

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

2. 賦能單光子級探測：與光子數(shù)分辨探測器聯(lián)用

在量子光學、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(shù)分辨探測器（PNRD） 是關(guān)鍵設(shè)備。然而，當光源較強或脈沖重復(fù)頻率過高時，探測器會因光子堆積而無法準確分辨單個脈沖內(nèi)的光子數(shù)統(tǒng)計分布。

圖6：通過光開關(guān)系統(tǒng)將強光衰減并裁剪成稀疏的脈沖，使其適配光子數(shù)分辨探測器的動態(tài)范圍。

本系統(tǒng)在此扮演了“智能衰減器”和“脈沖門控”的角色：

• 功率衰減：通過控制開關(guān)的開啟時間極短，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，也可以通過控制開關(guān)僅在特定的、間隔較大的時間窗口開啟，從而“挑選”出獨立的脈沖給探測器處理，避免堆積。
       

  
       

圖7：在實際應(yīng)用中，光源可能先照射樣品（物體），經(jīng)透射或反射后，再通過窄帶濾光片進行波長選擇，最后進入光開關(guān)系統(tǒng)進行分析。

3. 高重頻光源下的脈沖選擇

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

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

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

圖10 光開關(guān)中脈沖選擇器對光信號進行脈沖選擇示意圖

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

這項雙光開關(guān)串聯(lián)技術(shù)，通過經(jīng)典的級聯(lián)思想解決了光開關(guān)領(lǐng)域固有的漏光難題，同時利用時序控制的巧思，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(tǒng)光開關(guān)，而是通過系統(tǒng)級創(chuàng)新，極大地拓展了光開關(guān)的應(yīng)用邊界和性能上限。

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（注：本文部分內(nèi)容由AI協(xié)助習作，僅供參考）