晶片化振動量測新突破：多光束頻率轉換器解決擴展瓶頸

雷射都卜勒測振技術的晶片化挑戰

雷射都卜勒振動儀（Laser Doppler vibrometry, LDV）是一種用於非破壞檢測與光聲感測的高靈敏度技術。過去依賴體積龐大的自由空間光學架構，但矽光子技術的導入讓 LDV 有望實現晶片化與大規模應用。不過，目前晶片式 LDV 最大瓶頸在於擴展性——每增加一個偵測點，就需增加對應的電子控制與讀取接腳，限制了應用規模。

本文提出一種創新的「多光束頻率轉換器」設計，有效解決上述問題，大幅減少電子連接數量，並實現多點同步振動量測的可能。

技術核心：多光束頻率轉換器運作原理

傳統 LDV 透過分光將光束拆分為參考光與測量光，並利用光混合與相位分析來量測目標震動。但若要同時監控多個位置，需併聯多組 LDV，導致接腳數線性增加。

本研究提出的多光束頻率轉換器，利用一組波導陣列與調變器模組，對單一入射光源施加具相位延遲的波形調變，產生不同的諧波（Harmonics）。這些不同調變的光訊號經由星狀耦合器（star coupler）後，依頻率分配到不同的輸出端，實現多頻率輸出功能。

模擬結果顯示，在理想調變條件下，不同輸出可有效區分頻率成分，證實該結構可做為多光束頻率轉換器使用。

擴展架構設計：低接腳高擴展的多點振動量測

為解決多光束偵測的接腳擴張問題，研究團隊設計了整合式架構：將測量光通過多光束頻率轉換器，產生多組異頻訊號；參考光則僅需一個單頻轉換器處理。兩者混合後可在電頻域上區分，並使用少量光電偵測器進行解調。

以 5 光束為例，整體僅需約 20 條電子線路，與傳統架構相同，但在擴增至百束時，新架構僅需約 60 個接腳，而傳統方式則需達 400 個，大幅降低電子系統設計複雜度。

此外，該架構具備波長穩定性，未來可進一步實現不同波長間的頻率轉換器共享，提高系統彈性與整合效率。

結論

本研究提出的多光束頻率轉換器架構，有效克服了矽光子 LDV 在大規模應用上的接腳瓶頸問題。實驗模擬驗證其頻率分離與輸出能力，為多點同步量測提供具體解方。

參考資料

[1]      E. Dieussaert, R. Baets, and Y. Li, "Scaling Silicon Photonics-based Laser Doppler Vibrometry with Multi-Beam Frequency Shifters," in Proc. of the IEEE Conference on Lasers and Electro-Optics, 2024, pp. 1-3, doi: 979-8-3503-9404-7/24/$31.00 ©2024 IEEE.

[2]      E. Dieussaert, R. Baets, and Y. Li, “On-chip multi-beam frequency shifter through sideband separation,” Optics Express, vol. 31, p. 29213, 8 2023.