CN108432127A - 经线性调频的任意微波信号的光子产生器件 - Google Patents

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Abstract

本发明的一般领域为经线性调频的任意微波信号的光子产生器件，所述器件包括：激光器(1)、用于形成发射信号的组件(2)以及光接收器(3)，该光接收器(3)的带宽在微波频率的范围内。所述形成组件包括：第一光束分离器(20)；第一光通道，其包括移频回路，所述移频回路包括光束分离器(50)、第一光学放大器(60)、光学隔离器(70)、第一光谱滤波器(75)和声光移频器(80)；第二光通道，其包括光电移频器(30)；第二光束分离器(40)；第二光学放大器(90)；以及第二光学滤波器(100)；声光频移、光电频移和第一光学放大器的振幅增益可调。

Description

经线性调频的任意微波信号的光子产生器件
技术领域
本发明的领域为微波信号的光子产生的领域，并且更具体地，为线性调频的微波信号(也称为“LFM(公开为MLF)”信号)的领域。这样的LMF信号也称为“任意”信号。在本说明书的其余部分，术语LFM指定信号的时域形式。这样的信号也称为“线性调频信号(chirp)”。这些信号的特点在于其中心频率或平均频率(有时称为其载波频率)以及其通带。通带通常定义为信号的最高频率和最低频率之间的差。在本案中，载波频率包括在1GHz和100GHz之间，通带包括在0和200GHz之间。
背景技术
这种类型的微波信号的应用领域是多种多样的。举例来说，将涉及雷达领域、生物医学成像领域、健康领域、光谱学领域以及最后的射频元件表征领域。
脉冲压缩雷达能够获得比与脉冲持续时间相对应的长度更短的非常好的空间分辨率。因此，避免了与短脉冲和强脉冲的产生、放大和发射相关的缺陷。由这些脉冲压缩雷达发射的信号为线性调频的微波信号。缩写为“FMCW”的雷达也是如此，“FMCW”意为“调频连续波”。具体地，这种类型的雷达可以用于健康领域，以不接触地监测诸如心律的生理参数。
在生物医学成像领域，线性调频的微波信号能够通过测量生物组织的介电常数来确定生物组织的特性。此外，可以利用低能量的信号来工作。
这些信号还尤其地特别适合于气态的大分子(诸如氨基酸或肽链)的光谱学。
最后，可以使用这些信号来表征所有类型的射频元件。执行这种类型的表征的“SNA”(意为“标量网络分析仪”的缩写)或“VNA”(意为“矢量网络分析仪”的缩写)类型的当前设备，通常是笨重且昂贵的设备。
通常，利用任意波形发生器(AWG)来创建任意信号。然而，任意信号的通带由模数转换器限制为40-100GHz。此外，AWG的使用受到其成本、信号发射时间的波动或“时间抖动”、以及这些装置的体积和耗电量的限制。
更具体地，任意信号利用简单的“VCO”(意为“压控振荡器”的缩写)来产生，该“VCO”产生与输入电压成比例的频率信号。该技术的主要缺陷在于，所获得的通带限制为几GHz。此外，使用这种类型的发生器，其他微波源可能会导致寄生信号。
为了克服由于电子***的模数转换器的速度所导致的电子***的通带的固有限制，一种称为微波光子学的新的研究领域在大约过去十年中得到了发展。读者可以参考如下的文章：J.Yao，标题为《微波光子学》(Microwave photonics)，J.Lightwave Tech.(2009)，用作关于该技术的附加信息。其原理为使用非常大通带(其可以大于10THz)的基于光纤的光学***，然后将该通带转换为微波频率范围。举一个简单的示例，光探测器上两个光纤激光器的差拍产生微波信号，该微波信号的频率等于两个激光器的光频差。因此，获得在GHz-THz范围内的信号。此外，光学技术对电磁干扰不敏感，具有较低的耗电量和较小的体积。最后，通常与激光腔的机械稳定性相关的光脉冲序列的光谱纯度能够获得比电子方法的时间抖动量更小的时间抖动量。
为了在高于1GHz的频率上产生LFM信号，已提出多个光子学解决方案。
第一个解决方案为，在色散的光线上使用称为“FTTM”(意为“频率时间映射”的缩写)的技术。锁模飞秒或皮秒激光器产生短暂的宽光谱脉冲。频率滤波器在信号的频谱上施加线性调频。图1的左边部分示出了该脉冲根据时间t和根据频率f的振幅A。该脉冲被传递到称为GVD的色散线，GVD为“群速度色散”的缩写。在色散线的输出端，脉冲的时域形式再生成脉冲的频谱形式，如图1的右边部分可以看出。因此产生LFM信号或线性调频信号。作为变体，这种类型的光信号可以利用不相干源而产生。该解决方案具有一定的复杂度。
所述第一个技术解决方案的变体为，利用余弦函数对光谱进行调制，然后使光谱通过非线性色散的介质传播。该介质可以为非线性的“线性调频”的布拉格光栅。该技术具有多个限制。既不能获得宽的通带，也不能容易地修改信号的持续时间或产生随时间增加的频率变化。
第二个变体为，在色散干涉仪中对光谱进行调制。预先扩展的激光脉冲射入干涉仪，在干涉仪中的两个臂具有不同的群速度色散。射出时，光谱包含其间距线性变化的峰值和谷值，这导致在时域中对脉冲的光强度进行线性调频。该技术具有优于前述解决方案的某些优点。但是，所述***仍需要锁模激光器，并且LFM的持续时间不容易调整。
在第三变体中，激光器所产生的脉冲不仅在振幅上进行调制，而且在相位上进行调制。该技术能够获得较大的通带，但是仍具有本质的缺陷。重复率仍然受限，并且频率变化的持续时间和方向不可调。实施的装置，特别是飞秒激光器和调制器仍然复杂并且昂贵。
产生LFM微波信号的第二个技术解决方案为，利用两个激光器。在第一种配置中，第一激光器发射单频连续波信号，第二激光器的脉冲经历线性调频。这两个激光器在光探测器上的差拍再现了微波范围中的光学线性调频。该技术的优点是相对简单，并且能够调整信号的持续时间、信号的中心频率的变化范围以及信号的通带。与此相反，对于较大的通带，激光器的线性调频的线性度是有问题的。
该第二个解决方案的一个变体为，使第一激光器发射的短脉冲通过色散介质传播，从而使该脉冲中包含的频率色散。然后，色散的脉冲与第二激光器重新结合。这种技术以更高的技术复杂性、高成本和降低的灵活性为代价，实现了具有吸引力的性能水平。该技术的第一个变体为，使经历两种不同色散传播并因此经历两种不同光学线性调频的两个激光器差拍。
然而，不管其灵活性如何，由于两个激光器之间没有可能的频率稳定性，更不必说相位稳定性，因此使用两个激光器的技术对于信号的高再现性是必需的应用是不可接受的，特别是对于脉冲间相干性为必需的雷达应用是不可接受的。
发明内容
更确切地说，本发明的主题为一种用于产生线性调频的任意微波信号的光子器件，所述器件按顺序包括：激光器，其以第一光频率发射连续波信号；用于频谱上和时域上形成所述连续波信号的组件；以及光接收器，其通带在微波频率的范围内，
其特点在于，频谱和时域形成组件至少包括：
-第一Y结光束分离器，其位于激光器的输出处；
-第一光通道，其位于第一Y结光束分离器的第一分支的输出处，所述第一光通道为移频回路，所述移频回路包括X结光束分离器、位于X结光束分离器的两个分支之间的第一光学放大器、第一光学滤波器、光学隔离器和声光移频器；
-第二光通道，其位于第一Y结光束分离器的第二分支的输出处，所述第二光通道包括光电移频器；
-第二Y结光束分离器，其第一分支位于第一光通道的输出处，其第二分支位于第二光通道的输出处；
-第二光学放大器，其位于第二Y结光束分离器的公共输出处；以及
-第二光学滤波器，其位于第二光学放大器的输出和光接收器之间；
至少，声光频移、光电频移和第一光学放大器的振幅增益可调。
有利地，所有的或部分的器件为基于光纤的，所述激光器为基于光纤的，所述第一Y结光束分离器为第一Y结光耦合器，所述第二Y结光束分离器为第二Y结光耦合器，所述X结光束分离器为X结光耦合器。
有利地，所有的或部分的器件为通过集成光学技术制造的。
有利地，所有的或部分的器件为用分立光学部件制造的，所述第一Y结光束分离器为包括半涂银反射镜的第一立方体分离器，所述第二Y结光束分离器为包括半涂银反射镜的第二立方体分离器，所述X结光束分离器为包括半涂银反射镜的立方体分离器。
有利地，所述第一光学滤波器为光学带通型的滤波器。
有利地，所述第二光学滤波器为光学带通型的光谱滤波器，或者为强度调制滤波器。
有利地，将声光频移乘以光经过移频回路的时间的乘积大致上等于整数或分数。
有利地，声光频移包括在1和300MHz之间。
有利地，光电移频器为单边带调制器。
有利地，光电频移包括在-40GHz和+40GHz之间。
有利地，第一放大器的增益至少足以补偿X结光束分离器、光学隔离器、声光移频器以及光谱滤波器的光损耗。
附图说明
通过阅读以下的非限制性描述并且借助于所附附图，将更好地理解本发明并且其它的优点将变得显而易见，在所附附图中：
图1(已评述)为用于在色散线中产生线性调频微波信号的称为“FTTM”(意为“频率时间映射”的缩写)的现有技术的说明；
图2示出了根据本发明，包括移频回路的用于产生线性调频的任意微波信号的光子器件的总体示意图；
图3示出了在根据本发明的器件中，根据频率的原始信号；
图4示出了在根据本发明的器件中，移频回路的输出端的根据频率的第一信号；
图5示出了在根据本发明的器件中，移频回路的输出端的根据频率的第二信号；
图6示出了从根据本发明的器件中，光电移频器输出的根据频率的信号；
图7示出了在根据本发明的器件中，第一光学滤波器根据频率的透射曲线；
图8示出了在fs/fc的比率接近整数的比率的情况下，在根据本发明的器件中，光接收器输出的根据时间的周期信号；以及
图9和图10示出了在根据本发明的器件中，根据时间和根据频移的信号。
具体实施方式
根据本发明的用于产生微波信号的光子器件可以在“基于光纤”或“集成光学”的配置、包括光纤或波导的移频回路中实现；或者在具有分立光学部件的“自由空间”配置、利用准确对准的反射镜制造的移频回路中实现。表述“自由空间配置”理解为意指这样的一种配置，其中，光束完全或部分地通过自由空间传播。
在图2中示出了根据本发明的用于产生线性调频的任意微波信号的“基于光纤”版本的光子器件的示意图。以下详细说明该版本。然而，每次在基于光纤的版本和自由空间版本之间存在明显差异时，都会指出。
图2的光子产生器件按照顺序包括：
-激光器，其在f0表示的第一光频率上发射连续波信号S0。该频率在几百THz的范围内。有利地，该激光器可以为在“电信”频率范围内(即约1550nm)发射的光纤激光器。该激光器必须具有约几kHz的较小的线宽，并且发射几mW的功率。其他的波长也是可以的，特别是在780nm或1μm附近的波长，但是这些波长的基于光纤的部件更昂贵。图3中示出了该信号S0根据频率f的振幅A。与先前的技术相比，使用单一激光器具有很大的优势，因为可以自动确保脉冲间相干性；
-用于频谱上和时域上形成所述连续波信号的组件2；以及
-带宽在微波频率范围内的光接收器3。
频谱上和时域上形成组件2至少包括：
-第一Y结光束分离器件20。在图2的情况下，该分离器为光耦合器。在自由空间实施方案中，该耦合器为板状分离器或立方体分离器。该分离器包括输入21以及两个输出分支22和23。输入21耦合至激光器1，输出22耦合至第一光通道，输出23耦合至第二光通道；以及
-第一光通道，其位于第一耦合器20的第一分支的输出22处。该第一光通道为移频回路。所述第一光通道包括X结光束分离器件50、第一光学放大器60、光学隔离器70、第一光谱滤波器75和声光移频器80。
○X结光束分离器50可以为四通道光纤光耦合器或用半涂银反射镜制造的光束分离器。X结耦合器50包括两个输入通道51和52，以及两个输出通道53和54。输入51耦合至Y结耦合器的输出22。
○放大器60、隔离器70、光谱滤波器75和声光移频器80串联安装在X结耦合器的输出54和输入52之间。放大器60的增益表示为G，由于各种光耦合以及隔离器和声光移频器80中的损耗而引起的第一通道中的总光损耗用P表示。
○光学隔离器70的作用是迫使激光器产生的光在单一方向上传播，从而防止寄生波在相反方向上流通，并干扰***的运行。
○第一光谱滤波器75的主要目的是限制由于放大的自发射所引起的噪声，其次，其目的是能够选择回路的带宽，从而能够控制调频信号的频谱宽度。该可编程光学滤波器基于光刻在光纤中的布拉格光栅，或者实际上基于衍射元件或光栅上，从而能够访问器件的傅立叶平面中的光谱。位于该傅立叶平面中的可编程振幅滤波器(通常为液晶矩阵)使得光的各种频率能够选择性地衰减，并且因此使得其光谱能够被调制。第二次通过光栅使得光能够在调制其光谱后重新校准，并且使光能够重新射入自由空间回路中，或者在基于光纤的配置的情况下重新射入光纤中。
○声光移频器80利用透明固体中的行进声波对光波进行衍射。声光频移fs包括在1和300MHz之间。该频率范围对于这种类型的器件来说是完全正常的。
○通过移频回路的传输时间的倒数称为fC。在基于光纤的配置的情况下，如果移频回路的长度为10米，则该回路的频率fC等于30MHz。对于长度为30米的回路，该频率为10MHz。该频率的数量级等于声光频移fS的数量级。所述回路长度的这些数量级自然为利用掺铒光纤放大器60所获得的数量级。在自由空间配置的情况下，回路的长度可以明显更小，从几十厘米到几米。然后，fc的值更高，并且在100MHz和1GHz之间变化。
-第二光通道，其位于第一Y结分离器件的第二分支的输出23处。该第二光通道包括光电移频器30。优选地，该移频器为单边带调制器。该移频器通常使用两个马赫-策德尔(Mach-Zehnder)干涉仪，每个马赫-策德尔干涉仪都包含一个光电调制器。通过正确调整光电调制器的电压以使载波和两个边带中的一个边带相消干涉，获得单边带作为输出：因此，该器件作为移频器工作。在基于光纤的配置中，光电频移fe包括在-40GHz和+40GHz之间。该频率范围对于这种类型的器件来说是完全正常的。
-第二Y结光束分离器件40。该分离器包括两个输入分支42和43以及单个输出41。再一次地，该分离器可以为基于光纤的光耦合器或半涂银的反射镜。第一输入分支42耦合至第一通道的X结耦合器的输出53，第二输入输出分支43耦合至光电移频器30的输出。
-第二光学放大器90，其位于第二Y结光束分离器的公共输出41处。
-第二光学滤波器100，其位于第二光学放大器90的输出和光接收器3之间。该滤波器可以为按照与光谱滤波器75相同的原理工作的可编程滤波器。当然，该光学滤波器的滤波带必须与光频率f0兼容。或者，由于在线性调频信号的情况下时间和瞬时频率之间的线性关系，该滤波器也可以为强度调制器，从而使光信号的强度能够根据回路输出处的时间而控制。大体上，该强度调制器基于声光调制器或基于光电调制。后一种类型的调制本身可以基于利用普克尔斯(Pockels)效应的偏振旋转或基于马赫-策德尔干涉仪中的干涉效应。
至少，声光频移fS、光电频移fe和第一光学放大器的振幅增益G可调。例如，频率fS可以借助于射频发生器进行调整。
以下详述光子产生器件的操作。
以频率f0发射的光束的第一部分引入移频回路。其操作如下。每次光束完全通过回路并返回到X结耦合器的输入52时，光束的一部分通过X结耦合器再次射入回路中，而第二部分从回路中输出并通过光学放大器90。因此，在X结耦合器的输出53处，获得了由连续的光信号S1k构成的光信号S1，光信号S1k已经通过回路一定次数k。
每个信号S1k由其振幅、其频率和其相位来表征。图4和图5示出了连续的信号S1k根据频率的振幅。信号S1k的振幅取决于光学放大器60的增益、第一光学滤波器75以及回路的损耗。如果增益正好补偿损耗，则所有的信号S1k都具有相同的振幅，如图4可以看出。如果增益低于损耗，则信号S1k的振幅迅速减小，如图5可以看出。
每次光通过声光移频器80时，其频率都增加量fS。因此，信号S1k的频率等于f0+k.fS，如图4和图5可以看出。
考虑到回路中的迭代效应，可以证明各个频率对于其相位具有二次方依赖性。更确切地说，频率为f0+k.fS的信号S1k的相位遵守关系式：
读者可以参考如下的文章：H.Guillet de Chatellus等人的标题为《在CW注入移频反馈激光器中产生超高和可调谐的重复频率》(Generation of ultrahigh and tunablerepetition rates in CW injection seeded frequency shifted feedback lasers)，Opt.Exp.21,15065(2013)和《Talbot激光器原理》(Theory of Talbot lasers),Phys.RevA 88,033828(2013)，用作关于该计算的进一步的信息。
因此，光信号S1相当于经历了与二次光谱相位相对应的特定群速度色散的光频梳。
在时域中，该光信号包括一系列相同的周期为1/fS的光脉冲。每个脉冲在光频域中都具有线性调频，光频域的最小频率和最大频率是f0和f0+K.fS，其中K是光在回路中的最大往返次数，或者相当于在回路输出处的光频梳中存在的频率的数量。
此外，等效色散与相位的抛物线的曲率(即fS/fC)成比例。通过调整声光频移fS，可以容易地控制后一参数。从相位的表达式可以看出，选择非常接近整数值的比率fS/fC或者两个整数p/q(q小于K)的比率是有利的。
当该比率恰好等于整数值时，等效色散为零。所有的频谱分量同相，并且回路发射短脉冲，时域限制由光频梳的傅里叶变换给定。在该比率等于整数的比率p/q(其中q<K)的情况下，回路发射与整数比率情况下相同持续时间的短脉冲，但是重复率或每秒的脉冲的数量等于q*fs。在上面引用的两篇文章中给出了这种效应的描述和解释。
与此相反，当该比率偏离整数或分数值时，光脉冲在时域中变宽，并且光脉冲的线性调频的变化方向发生改变。特别地，已知频谱域中的相移对应于时域中的时移。谱域中较大的相位差异因此对应于该时域中产生的脉冲的变宽。
以频率f0发射的光束的第二部分引入光电移频器30。在移频器30的输出处，获得了频率等于f0+fe的光信号S2。图6中示出了该信号S2根据频率的振幅。Y结耦合器40在两个输入42和43处接收分别由移频回路和光电移频器输出的信号S1和S2，并且将信号S1和S2再结合。再结合的信号因此包括以f0+fe为中心的光频率，以及从f0到f0+K.fS延伸的光频梳。
再结合的信号通过光学放大器90放大、通过滤波器100滤波并且通过光探测器3接收。后面放大并且滤波的光信号表示为S3。图7示出了可编程滤波器100的通带BP，该通带根据所采用的解决方案，通过光谱滤波或从回路输出的信号的时间调制而感应。也可以用强度调制器来替换光谱滤波器100。特别地，由于频率和时间之间的线性关系，与脉冲序列同步的脉冲强度的时间调制等同于利用滤波器100进行的光谱滤波。尽管因为要求调制信号与脉冲序列的非常精确的同步而实现起来更复杂，但强度的时间调制能够克服光谱滤波器的限制，即其分辨率，该分辨率对于“波形形成器”类型的商业设备而言高于10GHz。
光探测器3的输出处的电信号Se包含周期性的信号序列SEi。当比率fs/fc为整数或1/(qfs)时(其中，该比率等于p/q，p和q为整数，并且q小于K)，周期性的信号序列SEi的时间周期等于1/fS。在图8中示出了整数比率情况下的该序列。在这种情况下，信号SEi完全相同。每个信号都具有随时间变化的瞬时频率，如图8可以看出。应注意的是，在该附图和后续的两个附图中，为了清楚起见，该信号包括少量的周期。真实信号通常具有更多的周期。
该信号的通带由光信号S3的频谱宽度给定。该信号的通带受到滤波器100的通带和在移频回路中循环的信号S1的频谱宽度的限制。如上所述，所述通带取决于光学放大器60的增益、光谱滤波器75以及回路的损耗。中心频域与信号S2的光频率f0+fe有关。因此可以实现大约100GHz的微波频率。
也可以通过更改频率fS来更改线性调频的变化的方向。众所周知，当比率fS/fC从整数或整数比率改变时，线性调频的变化方向改变。图9和图10示出了该性质。图9和图10示出了初级信号SEi根据时间的振幅A。
如果a为整数或整数比率p/q(q<N)，则a的值与最接近的整数或整数比率之间的差称为ε。
当ε为零时，输出信号由经傅里叶变换的有限脉冲组成，并且不再是线性调频的。
当ε不为零时，能够显示出，LFM信号的持续时间近似地约为ε*K/fs，其中K为从回路输出的光频梳中的总频率数。因此，当ε＝+/-1/K时，LFM信号的持续时间为1/fs。因此，ε的变化范围在-1/K和+1/K之间。
当比率fS/fC略小于a时，即，当ε为负时，初级信号SEi在时域内的线性调频以低频开始并以高频结束，当比率fS/fC略大于a时，即，当ε为正时，初级信号SEi在时域内的线性调频以高频开始并以低频结束。
例如，对于包括包含在0和30GHz之间范围内的频率的周期为12ns的信号SEi，仅80kHz的频率变化fS就足以更改调制的方向。

Claims (11)

1.一种用于产生线性调频的任意微波信号的光子器件，所述器件按顺序包括：激光器(1)，其以第一光频率发射连续波信号；用于在频谱上和时域上形成所述连续波信号的组件(2)；以及通带在微波频率的范围内的光接收器(3)，
其特征在于，频谱和时域形成组件至少包括：
-第一Y结光束分离器(20)，其位于激光器的输出处；
-第一光通道，其位于第一Y结光束分离器的第一分支的输出(22)处，所述第一光通道为移频回路，所述移频回路包括X结光束分离器(50)、位于X结光束分离器的两个分支之间的第一光学放大器(60)、第一光学滤波器(75)、光学隔离器(70)和声光移频器(80)；
-第二光通道，其位于第一Y结光束分离器的第二分支的输出(23)处，所述第二光通道包括光电移频器(30)；
-第二Y结光束分离器(40)，其第一分支(42)位于第一光通道的输出处，其第二分支(43)位于第二光通道的输出处；
-第二光学放大器(19)，其位于第二Y结光束分离器的公共输出(41)处；以及
-第二光学滤波器(100)，其位于第二光学放大器的输出和光接收器之间；
至少，声光频移、光电频移和第一光学放大器的振幅增益可调。
2.根据权利要求1所述的用于产生任意微波信号的光子器件，其特征在于，所有的或部分的器件为基于光纤的，所述激光器为基于光纤的，所述第一Y结光束分离器为第一Y结光耦合器，所述第二Y结光束分离器为第二Y结光耦合器，所述X结光束分离器为X结光耦合器。
3.根据权利要求1所述的用于产生任意微波信号的光子器件，其特征在于，所有的或部分的器件为通过集成光学技术制造的。
4.根据权利要求1所述的用于产生任意微波信号的光子器件，其特征在于，所有的或部分的器件为用分立光学部件制造的，所述第一Y结光束分离器为包括半涂银反射镜的第一立方体分离器，所述第二Y结光束分离器为包括半涂银反射镜的第二立方体分离器，所述X结光束分离器为包括半涂银反射镜的立方体分离器。
5.根据前述权利要求中的一项所述的用于产生任意微波信号的光子器件，其特征在于，所述第一光学滤波器(75)为光学带通型的滤波器。
6.根据前述权利要求中的一项所述的用于产生任意微波信号的光子器件，其特征在于，所述第二光学滤波器(100)为光学带通型的光谱滤波器，或者为强度调制滤波器。
7.根据前述权利要求中的一项所述的用于产生任意微波信号的光子器件，其特征在于，将声光频移乘以光经过移频回路的时间的乘积大致上等于整数或分数。
8.根据前述权利要求中的一项所述的用于产生任意微波信号的光子器件，其特征在于，所述声光频移包括在1和300MHz之间。
9.根据前述权利要求中的一项所述的用于产生任意微波信号的光子器件，其特征在于，所述光电移频器为单边带调制器。
10.根据前述权利要求中的一项所述的用于产生任意微波信号的光子器件，其特征在于，所述光电频移包括在-40GHz和+40GHz之间。
11.根据前述权利要求中的一项所述的用于产生任意微波信号的光子器件，其特征在于，第一放大器的增益至少足以补偿X结光束分离器、光学隔离器以及声光移频器的光损耗。
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