在光纖通信、精密測量、量子技術等領域，光開關作為核心的光路控制器件，其性能直接決定了整個系統(tǒng)的信號質量。傳統(tǒng)單光開關在關閉時，難以避免因串擾（Cross Talk）產生的“漏光”現(xiàn)象，這如同房門關不嚴實透進光線，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，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（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 作為專注于光開關研發(fā)與制造的企業(yè)，深入解讀這一技術，并將其核心思想轉化為能夠提升產品性能與系統(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、提升開關效率，并拓展其在各類光電測量系統(tǒng)中的應用。

傳統(tǒng)光開關的挑戰(zhàn)與核心問題

光開關的本質是光路的“電子門衛(wèi)”。理想情況下，“開門”時信號無損通過，“關門”時信號完全阻斷。但現(xiàn)實是，由于材料特性、電路驅動精度和物理設計限制，在關斷狀態(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用，如單光子探測、激光雷達、超快光學等，這成為了一個關鍵技術瓶頸。

創(chuàng)新解決方案：串聯(lián)光開關架構

該專利技術的核心思想樸素而高效：將兩個光開關串聯(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漏光率的乘積，顯著提升系統(tǒng)的整體關斷比（消光比）。

下圖清晰地展示了這一基本系統(tǒng)構成：

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

系統(tǒng)核心構成：

1. 第一光開關：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：其光信號輸入端直接連接第一光開關的輸出端，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提供電脈沖驅動信號（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，其時間關系的精確控制是本技術產生高級功能的關鍵。

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)出指令關閉光路時，第一光開關首先動作。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關。第二光開關再次執(zhí)行關閉操作，假設其漏光率也為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生成比單個光開關能力所及更窄的光脈沖，或進行脈沖采樣與選擇。這依賴于對驅動兩個開關的電脈沖信號進行精確的時序控制。

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

圖2 光開關的短脈沖交錯示意圖之一

圖3 光開關的短脈沖交錯示意圖之二

圖4 光開關的短脈沖交錯示意圖之三

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

技術關鍵點：

• 脈沖交集：通過設置第一和第二電脈沖信號產生時間的不同，使第一光開關輸出的光脈沖與第二光開關的驅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)光信號在兩個開關間的光纖傳輸時間以及第二光開關本身的預設開關響應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）的領域，光子數(shù)分辨探測器（PNRD） 是關鍵設備。然而，當光源較強或脈沖重復頻率過高時，探測器會因光子堆積而無法準確分辨單個脈沖內的光子數(shù)統(tǒng)計分布。

圖6：通過光開關系統(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，確保每次測量對應一個清晰的光脈沖事件。

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

圖9 光開關中光源的重復頻率和光子數(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。

這項雙光開關串聯(lián)技術，通過經(jīng)典的級聯(lián)思想解決了光開關領域固有的漏光難題，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，而是通過系統(tǒng)級創(chuàng)新，極大地拓展了光開關的應用邊界和性能上限。

廣西科毅光通信科技有限公司（www.m.lytflsy.com） 深刻認識到，將前沿的學術專利思想轉化為穩(wěn)定、可靠的工業(yè)級產品和解決方案，是推動行業(yè)進步的關鍵。我們提供的不僅僅是高性能的光開關單器件，更是基于對光路控制深刻理解的整體技術方案。無論是提升現(xiàn)有系統(tǒng)的信噪比，還是構建需要超短脈沖、單光子探測能力的新型實驗與工業(yè)系統(tǒng)，這項串聯(lián)控制技術都提供了極具價值的實現(xiàn)路徑。

擇合適的光開關等光學器件及光學設備是一項需要綜合考量技術、性能、成本和供應商實力的工作。希望本指南能為您提供清晰的思路。我們建議您在明確自身需求后，詳細對比關鍵參數(shù)，并優(yōu)先選擇像科毅光通信這樣技術扎實、質量可靠、服務專業(yè)的合作伙伴。

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（注：本文部分內容由AI協(xié)助習作，僅供參考）