太赫兹(THz) 波段的高灵敏探测器在诸多前沿领域中有着巨大的应用价值。超导量子电容探测器(QCD) 是一种在 THz 波段具备单光子探测能力的高灵敏直接探测器, 且可实现大规模阵列。对阵列而言, 可靠的读出技术是其性能发挥的基本保障。本研究利用零差读出技术进行了 QCD 信号读出与表征。微波同相正交(IQ) 混频器是零差读出电路的重要组成元件, 故对 IQ 混频器进行了详细表征与校准, 通过排除其不平衡性对探测器信号读出的影响, 提高了测量的可靠性。在此基础上, 对 QCD 的 THz 响应信号进行了测量, 结果显示 QCD 响应信号与理论预期结果高度一致。此外, 所构建的零差读出电路还可用于高灵敏超导微波动态电感探测器(MKID) 阵列等极低温(15 mK 以下) 探测器的信号读出, 为高灵敏 THz 探测器的开发奠定了良好的基础, 具有较高的应用价值。

同源自零差相干技术在信号传输时伴随传输一个同源的导频，将其在收端用作相干探测的本振光。同源自零差相干系统包含偏分复用同源自零差相干和空分复用同源自零差相干两类架构。通过同源自零差相干可以在光信号探测前实现有效的“光域载波恢复”，从而有望在系统中采用低成本非制冷的分布式反馈(DFB)激光器和波特率采样接收机。在空分架构中，信号光与导频光传输引入的相对延时会导致一个性质独特的相位噪声，其概率密度的分布特性限制了系统可容忍激光线宽与相对延时积的大小，而其微分对应频率调制噪声的有色性则提供了一种高精度、大动态范围的在线相对延时估计方法，为充分发挥同源自零差相干技术架构优势提供了可靠的保障。自动偏振控制调控技术可用于实现偏分架构中导频和信号的分离，亦可用于规避空分架构偏振分集探测时的功率衰落问题。此外，基于自动偏振控制的同源自零差相干技术为高速、对称的双向互连架构提供了一种全新的低成本解决方案，仅采用单个自动偏振控制器即可实现双向偏振锁定，可进一步降低单纤偏分双向架构的器件成本以及实现无需多入多出(MIMO-free)均衡的双纤架构，且数字信号处理(DSP)仅剩单入单出均衡和前向纠错。这使得基于自动偏振控制的同源自零差相干技术可以为高性能、低成本、DSP-free的双向高速互连提供一种极富前景的方案。本文介绍了同源自零差相干光传输系统的类型、优势、挑战及解决方案，综述了本团队在关键的自动偏振控制技术、在线相对延时估计技术，以及基于自动偏振控制的至简DSP同源自零差相干传输技术方面的系列成果。

针对微波通信、超视距雷达和有线电视系统等军民应用需求,为了实现光载射频信号的大动态远距离传输,提出了基于光学锁相环与粒子群算法的零差相干微波光子传输链路技术。该链路前端采用零差光锁相环实现了本振光对信号光的相位跟踪锁定,抑制了锁相带宽内的激光器频率漂移和相位噪声以及长距离光纤导致的相噪恶化,同时平衡探测方式消除了直流分量相关相对强度噪声;通过分析链路前端非线性失真来源,在后端数字处理单元利用粒子群算法寻找最佳非线性失真纠正系数,并对I/Q两路数字信号进行延时匹配、幅相均衡以及线性相位解调,实现了100 MHz频段内射频信号的大动态远距离(≥120 dB·Hz ^2/3和100.8 km)传输。

考虑零差检测量子反馈下的单模腔场与二能级原子相互作用系统,研究反馈控制和初始状态对量子相位参数估计的影响。结果表明:无反馈时,量子费希尔信息随时间很快衰减。然而,在初始参数θ和均取π2时,反馈参数λ=±05左右量子费希尔信息达到最大值,该结果表明只要参数选择合适,零差检测量子反馈可以使得量子费希尔信息的衰减有效延缓,二能级原子相位估计精度的上限提高。此外原子初始状态的权重参数和相对相位对量子费希尔信息的演化也有很大影响。

为研究混频器中信号光分光比对相干零差接收机性能的影响,建模分析了90°空间光混频器的信号光分光比对接收机锁相性能和通信性能的影响。数值模拟结果表明,信号光Q路分光比k<0.5时,可提高通信性能,增加探测灵敏度;k=0.5时,环路锁相时间最短,锁频范围最大;k>0.5时,分光比存在最优值使锁相残余相位误差最小。根据分析结果设计了一种基于旋转半波片的分光比自适应调整系统,利用软件仿真研究了系统在不同分光比时的通信和锁相性能。结果表明,激光波长为1550 nm,线宽为5 kHz,通信速率为10 Gbit/s时,通过旋转半波片使Q路的分光比在0.1~0.6之间自适应调整,就能改变系统的锁相性能和探测灵敏度。当k=0.1时,探测灵敏度提高了2.56 dB;当k=0.5时,锁相支路可实现的频差锁定范围为133 MHz;当k=0.6时,锁相残余相位误差最小。仿真结果验证了该系统的可行性,同时为自适应调整分光比的90°混频器实用化提供了参考。

扫描干涉光刻机移相锁定是实现大面积高精度全息光栅曝光拼接的关键之一。为了实现大面积高精度全息光栅高精度曝光拼接, 针对扫描干涉光刻机步进扫描拼接轨迹, 重点开展了移相锁定系统的研究。在零差移频式相位锁定分系统和外差利特罗式光栅位移测量干涉仪的基础上, 阐述了扫描干涉光刻机的新型移相锁定系统原理。针对新型的移相锁定系统原理, 构建了移相锁定控制系统实验装置。最后, 基于移相锁定控制实验装置, 针对移相锁定定位性能, 开展了移相锁定定位控制实验以及影响控制精度的因素分析, 实现了±3.27 nm (3σ, Λ=251 nm)的定位控制精度; 针对移相跟踪控制性能, 在移相跟踪控制精度实验分析的基础上, 利用陷阱滤波&PID控制实现了±4.17 nm(3σ, Λ=251 nm)的跟踪控制精度。