光谱分析——发射谱和吸收谱——可以说是发现和理解事物的最有力方法。多种光谱仪的发明和发展为我们提供了多功能且超灵敏的诊断工具，用于痕量气体检测、同位素分析以及解析原子和分子的超精细结构。随着数据和信息的激增，如今对频谱分析提出了紧迫而苛刻的要求，频谱带宽和频率分辨率不断提高。对于携带大量信息的宽带激光源以及信息处理系统中使用的分散设备，这些要求尤其严格。此外，频谱分析仪有望探测设备的相位响应，其中额外信息被编码。
在这里，我们展示了一种新型矢量频谱分析仪（VSA），它能够在一个设置中表征无源器件和有源激光源。这种双模VSA可以测量无源器件的损耗、相位响应和色散特性。它还可以将宽带激光光谱相干地映射到RF域。VSA 的带宽为 55.1 THz（1260 至 1640 nm），频率分辨率为 471 kHz，动态范围为 56 dB。同时，我们基于光纤的VSA结构紧凑且坚固耐用。它既不需要高速调制器和光电探测器，也不需要任何主动反馈控制。最后，我们成功地将VSA用于分析，包括集成色散波导的表征，映射频率梳光谱以及相干光检测和测距（LiDAR）。我们的VSA为器件分析和激光光谱提供了一种创新方法，可以在未来的光子系统和传感、通信、成像和量子信息处理应用中发挥关键作用。
图1.光矢量分析仪所具有的测量功能，包括损耗测量、相位测量、光谱测量、啁啾测量、频率标定等。图展示了宽带光矢量分析仪的组成部分，包括啁啾激光器、频率标定单元、待测器件、示波器等。
VSA的原理如图1a所示。连续波（CW）宽啁啾激光被发送到被测设备（DUT）并通过被测设备进行传输，该设备可以是无源设备或激光源。在激光啁啾期间，对于无源器件，对包含DUT损耗和相位信息的频率相关线性传输函数（LTF）进行光检测和记录。对于激光源，啁啾激光以光谱的不同频率分量逐渐跳动，并且使用窄带通滤波器在RF域中以数字方式记录节拍信号。在这两种情况下，VSA都会输出时域迹线，每个数据点对应于DUT在激光啁啾期间在特定频率下的瞬时响应。简而言之，啁啾激光将DUT的频域响应相干地映射到时域中。由于激光不能完全线性地啁啾，因此这种频率-时间映射的关键是在任何给定时间精确校准瞬时激光频率。这需要将啁啾激光器参考校准的“频率尺”。
遵循这一原则，我们构建如图 1b 所示的设置。使用广泛可调谐、无跳模、外腔二极管激光器（ECDL，Santec TSL）作为啁啾激光器。级联覆盖不同光谱范围的多个ECDL可以扩展全光谱带宽，在我们的VSA中，具有三个ECDL的全光谱带宽为1260至1640 nm（55.1 THz）。
ECDL 的 CW 输出分为两个分支。一个分支被发送到DUT，另一个分支被发送到频率校准单元。这种频率校准涉及相对频率校准（即相对于起始激光频率的频率变化）和绝对频率校准（即精确测量起始激光频率），绝对频率校准是参考具有200 MHz精度的内置波长计进行的。
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