学术研究报告：通过抑制寄生调幅提升扫频干涉测量中的无杂散动态范围

一、主要作者及研究机构
本研究的通讯作者为Jun Yang（IEEE会员），来自广东工业大学（Guangdong University of Technology）光子技术研究院，合作作者包括哈尔滨工程大学（Harbin Engineering University）的Cuofu Lin、Chen Zou等。研究发表于2022年11月的《Journal of Lightwave Technology》（Vol. 40, No. 21）。

二、学术背景与研究目标
扫频干涉测量（Frequency Sweeping Interferometry, FSI）是光纤器件诊断和分布式传感的核心技术，广泛应用于光学矢量分析仪（OVA）、光学频域反射仪（OFDR）等设备中。然而，FSI系统的性能常受寄生调幅（Parasitic AM）影响，其周期性分量会引入杂散谐波，导致无杂散动态范围（Spurious-Free Dynamic Range, SFDR）下降，干扰信号分析。本研究旨在提出一种“包络去趋势”（envelope detrending）方法，通过辅助干涉仪量化并校正寄生调幅，从而提升SFDR，满足高精度光学器件测量的需求。

三、研究流程与方法
1. 问题建模与理论分析
- 研究首先建立了寄生调幅的数学模型，指出其源于激光器残余调幅、器件光谱响应等因素（公式1-2）。通过仿真证明，寄生调幅会导致信号峰伴随杂散谐波（图2），使SFDR降至20 dB。
- 提出SFDR的理论极限公式（公式6），表明其与寄生调幅深度直接相关。

1. 校正方法设计

   • 核心创新：引入辅助干涉仪，通过希尔伯特变换（Hilbert Transform）提取时间域振幅波动曲线（公式8），用于校正主干涉信号的寄生调幅（图3）。
     
   • 匹配条件：理论推导表明，当主、辅干涉仪的光程差（OPD）相等时，校正效果最优；失配会导致SFDR急剧下降（图4）。
     

2. 实验验证

   • 实验系统：搭建基于可调谐半导体激光器（TSL-550C）的光学频域偏振计（OFDP）系统（图5），通过强度调制器人为引入寄生调幅（调制深度0.25，频率1 kHz）。
     
   • 关键步骤：
     
     1. 对比不同OPD配置下的SFDR（主干涉仪OPD：25 m与50 m；辅助干涉仪OPD：5.8 m至188.1 m）。
        
     2. 验证最优匹配条件（主辅OPD均为25 m时，SFDR提升至90.2 dB，图9a）。
        
     3. 实际应用测试：测量Y波导的偏振消光比（PER），结果与光学相干域偏振计（OCDP）一致（81.1 dB vs. 80.9 dB，图10b）。
        

3. 数据分析

   • 通过快速傅里叶变换（FFT）提取信号频谱，量化杂散谐波抑制效果（图7 vs. 图10a）。
     
   • 重复性测试显示，Y波导PER测量的标准偏差为0.43 dB（表I），证明方法稳定性。
     

四、主要结果与逻辑关联
1. 寄生调幅的影响：实验证实，即使微小寄生调幅（0.32%）也会引入−80 dB至−60 dB的杂散峰（图7b），导致SFDR仅50 dB。
2. 校正效果：在OPD匹配条件下，杂散谐波被抑制至−90 dB以下（图9c），SFDR提升至90.2 dB（图10a）。失配时（如辅助OPD=150 m），SFDR降至69.6 dB（图9d）。
3. 实际应用验证：OFDP系统成功实现高精度偏振测量，PER结果与OCDP一致（图10b），误差仅0.2 dB。

五、结论与价值
1. 科学价值：揭示了寄生调幅对FSI系统的限制机制，提出了一种普适性校正方法，为高精度光学测量提供了理论框架。
2. 应用价值：该方法可扩展至其他FSI系统（如OFDR），支持长距离（25.6 km保偏光纤）或高分辨率（8.8 m单模光纤）测量，满足光纤器件诊断需求。

六、研究亮点
1. 方法创新：首次利用辅助干涉仪实时提取寄生调幅包络，通过希尔伯特变换实现动态校正。
2. 条件优化：明确OPD匹配为校正效果的关键因素，为系统设计提供指导。
3. 性能突破：将SFDR提升至90.2 dB，优于现有技术（如OBR-4600的80 dB）。

七、其他贡献
研究还分析了校正误差的数学本质（公式10），指出其与延迟差相关，为后续优化（如多辅助干涉仪设计）奠定基础。