在光纖通信、精密測(cè)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(tǒng)的信號(hào)質(zhì)量。傳統(tǒng)單光開(kāi)關(guān)在關(guān)閉時(shí)，難以避免因串?dāng)_（Cross Talk）產(chǎn)生的“漏光”現(xiàn)象，這如同房門關(guān)不嚴(yán)實(shí)透進(jìn)光線，導(dǎo)致背景噪聲升高，嚴(yán)重劣化光信號(hào)的信噪比（SNR），尤其在探測(cè)微弱光信號(hào)或生成高精度光脈沖時(shí)，這一問(wèn)題尤為突出。

近期，一項(xiàng)由中國(guó)計(jì)量科學(xué)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(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(zhuǎn)化為能夠提升產(chǎn)品性能與系統(tǒng)穩(wěn)定性的工程實(shí)踐。本文將詳細(xì)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，并拓展其在各類光電測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用。

傳統(tǒng)光開(kāi)關(guān)的挑戰(zhàn)與核心問(wèn)題

光開(kāi)關(guān)的本質(zhì)是光路的“電子門衛(wèi)”。理想情況下，“開(kāi)門”時(shí)信號(hào)無(wú)損通過(guò)，“關(guān)門”時(shí)信號(hào)完全阻斷。但現(xiàn)實(shí)是，由于材料特性、電路驅(qū)動(dòng)精度和物理設(shè)計(jì)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(wěn)定的背景噪聲，當(dāng)需要提取微弱的有效光脈沖信號(hào)時(shí)，信噪比就會(huì)大幅下降。對(duì)于追求極限精度的高端應(yīng)用，如單光子探測(cè)、激光雷達(dá)、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(gòu)

該專利技術(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，即使第一道門有縫隙漏了光，第二道門還能再進(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(kāi)關(guān)串聯(lián)系統(tǒng)基本架構(gòu)。光源發(fā)出的光依次通過(guò)由脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)的一級(jí)和二級(jí)光開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光路的雙重控制。

系統(tǒng)核心構(gòu)成：

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

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

3. 脈沖發(fā)生器：系統(tǒng)的“大腦”。它同時(shí)向第一和第二光開(kāi)關(guān)提供電脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)（分別為第一電脈沖信號(hào)和第二電脈沖信號(hào)）。這兩個(gè)信號(hào)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(jí)功能的關(guān)鍵。

4. 光源：為整個(gè)系統(tǒng)提供初始光輸入。

工作原理與優(yōu)勢(shì)：

當(dāng)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(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(dá)第二光開(kāi)關(guān)。第二光開(kāi)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(qiáng)的 0.01% (1% × 1%)。這使得系統(tǒng)本底噪聲急劇降低，輸出光信號(hào)的信噪比得以大幅提升。

進(jìn)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(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。這依賴于對(duì)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)的電脈沖信號(hào)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(yīng)時(shí)間（如聲光、電光效應(yīng)的建立時(shí)間），其開(kāi)啟窗口（脈寬）很難做到極短（例如數(shù)納秒級(jí)）。通過(guò)讓驅(qū)動(dòng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)的脈沖信號(hào)在時(shí)間上產(chǎn)生一個(gè)精密的“交錯(cuò)”，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(nèi)，光才能通過(guò)系統(tǒng)，從而得到一個(gè)比任一驅(qū)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(cuò)示意圖之一

圖3 光開(kāi)關(guān)的短脈沖交錯(cuò)示意圖之二

圖4 光開(kāi)關(guān)的短脈沖交錯(cuò)示意圖之三

圖2-4：通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)兩個(gè)光開(kāi)關(guān)的電脈沖信號(hào)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(xiàn)脈沖壓縮與整形。

技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)：

• 脈沖交集：通過(guò)設(shè)置第一和第二電脈沖信號(hào)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(qū)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(qū)間。

• 延時(shí)計(jì)算：第二電脈沖信號(hào)相對(duì)于第一電脈沖信號(hào)的延遲時(shí)間，需根據(jù)光信號(hào)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(yù)設(shè)開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行精密計(jì)算和校準(zhǔn)，以確保脈沖交集的精確形成。

系統(tǒng)擴(kuò)展與典型應(yīng)用場(chǎng)景

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

1. 與脈沖光電測(cè)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(cè)量系統(tǒng)（如高速光電探測(cè)器+示波器、時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)TCSPC等），用于表征激光脈沖特性、測(cè)量熒光壽命、進(jìn)行激光雷達(dá)模擬等。

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

2. 賦能單光子級(jí)探測(cè)：與光子數(shù)分辨探測(cè)器聯(lián)用

在量子光學(xué)、熒光光譜等需要探測(cè)極微弱光（到達(dá)單光子水平）的領(lǐng)域，光子數(shù)分辨探測(cè)器（PNRD） 是關(guān)鍵設(shè)備。然而，當(dāng)光源較強(qiáng)或脈沖重復(fù)頻率過(guò)高時(shí)，探測(cè)器會(huì)因光子堆積而無(wú)法準(zhǔn)確分辨單個(gè)脈沖內(nèi)的光子數(shù)統(tǒng)計(jì)分布。

圖6：通過(guò)光開(kāi)關(guān)系統(tǒng)將強(qiáng)光衰減并裁剪成稀疏的脈沖，使其適配光子數(shù)分辨探測(cè)器的動(dòng)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(guò)控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟時(shí)間極短，將入射光強(qiáng)衰減到單光子水平。

• 脈沖稀疏化：即使面對(duì)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(dú)立的脈沖給探測(cè)器處理，避免堆積。
       

  
       

圖7：在實(shí)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(guò)窄帶濾光片進(jìn)行波長(zhǎng)選擇，最后進(jìn)入光開(kāi)關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行分析。

3. 高重頻光源下的脈沖選擇

當(dāng)光源的重復(fù)頻率遠(yuǎn)高于后端探測(cè)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(tǒng)可以配置為僅允許特定間隔的光脈沖通過(guò)，從而將數(shù)據(jù)流“降頻”到探測(cè)器可處理的速率，確保每次測(cè)量對(duì)應(yīng)一個(gè)清晰的光脈沖事件。

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

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

圖10 光開(kāi)關(guān)中脈沖選擇器對(duì)光信號(hào)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(hào)與低速探測(cè)器相匹配，確保測(cè)量準(zhǔn)確性。

這項(xiàng)雙光開(kāi)關(guān)串聯(lián)技術(shù)，通過(guò)經(jīng)典的級(jí)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(qiáng)大功能。它并非替換傳統(tǒng)光開(kāi)關(guān)，而是通過(guò)系統(tǒng)級(jí)創(chuàng)新，極大地拓展了光開(kāi)關(guān)的應(yīng)用邊界和性能上限。

廣西科毅光通信科技有限公司（www.www.czflyt.com） 深刻認(rèn)識(shí)到，將前沿的學(xué)術(shù)專利思想轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、可靠的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品和解決方案，是推動(dòng)行業(yè)進(jìn)步的關(guān)鍵。我們提供的不僅僅是高性能的光開(kāi)關(guān)單器件，更是基于對(duì)光路控制深刻理解的整體技術(shù)方案。無(wú)論是提升現(xiàn)有系統(tǒng)的信噪比，還是構(gòu)建需要超短脈沖、單光子探測(cè)能力的新型實(shí)驗(yàn)與工業(yè)系統(tǒng)，這項(xiàng)串聯(lián)控制技術(shù)都提供了極具價(jià)值的實(shí)現(xiàn)路徑。

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