一種用於測量梳狀譜發生器相位譜的裝置及方法
2023-09-23 12:58:35
一種用於測量梳狀譜發生器相位譜的裝置及方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於測量梳狀譜發生器相位譜的裝置，該裝置包括用於輸出所述第一微波信號的參考信號輸出端和用於輸入與飛秒脈衝雷射束同步的梳狀譜信號的信號輸入端，該裝置進一步包括第一微波信號源、第二微波信號源、GSG微波探針、共面波導、飛秒脈衝雷射器、斬波器、起偏器、光學延時線、λ/2波片、偏振光補償器、λ/4波片、偏振光分光器、平衡光電探測器、鎖相放大器、控制和計算單元和函數發生器。本發明優點在於基於光電技術能夠準確的測量梳狀譜發生器的時域波形，進而得到梳狀譜發生器的相位譜。裝置理論上可測量帶寬高達110GHz的梳狀譜發生器，並且與傳統梳狀譜發生器相位譜測量方法相比，具有修正處理少，溯源鏈完整等優點。
【專利說明】一種用於測量梳狀譜發生器相位譜的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種相位譜測量裝置，特別是一種用於測量梳狀譜發生器相位譜的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]傳統獲得梳狀譜發生器相位譜的傳統方法為:使用示波器測量梳狀譜發生器的時域波形，對示波器測量中存在的時基失真、時基抖動與阻抗失配、示波器本身衝擊響應等影響進行修正，得到更準確的時域信號波形，再對信號進行傅立葉變化，得到梳狀譜發生器的相位譜。這種測量裝置的瓶頸在於需要進行大量複雜的修正處理、可測量的梳狀譜發生器帶寬受限於示波器本身的帶寬並無法形成完整的溯源鏈。
[0003]目前梳狀譜發生器的帶寬已經達到了67GHz，傳統的基於示波器的相位譜測量方法存在已經滿足不了此帶寬下梳狀譜發生器的校準需求。因此，需要探索一種更加簡便快捷並且可溯源於國際基本單位的新方法。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題是提供一種用於測量梳狀譜發生器相位譜的裝置，用以解決傳統基於示波器測量方法在測量帶寬與測量效率上的局限問題。
[0005]為解決上述技術問題，本發發明採用下述技術方案:
[0006]一種用於測量梳狀譜發生器相位譜的裝置，該測量裝置包括
[0007]用於產生同步的第一微波信號和第二微波信號的微波信號發生裝置；
[0008]用於輸出所述第一微波信號的激勵信號輸出端；
[0009]基於所述第二微波信號產生飛秒脈衝雷射束的飛秒脈衝雷射器；
[0010]沿所述飛秒脈衝雷射束傳輸路徑設置的延時單元；
[0011]用於輸入與所述飛秒脈衝雷射束同步的梳狀譜信號的信號輸入端；
[0012]其背面襯底形成有電光效應材料的共面波導，該共面波導被定位為使得經延時和聚焦的飛秒雷射束在共面波導背面襯底的入射位置處於共面波導信號電極和地電極的縫隙間；
[0013]GSG微波探針，用於將所述梳狀譜信號耦合到所述共面波導以產生輻射電場；
[0014]沿透射經過共面波導的飛秒雷射束的傳輸路徑依次設置的偏振光分光器和平衡光探測器；
[0015]鎖相放大器，用於與延時單元的每一步進相對應的採集所述平衡光電探測器產生的電流差；
[0016]計算單元，基於所採集的電流差得到所述梳狀譜信號的時域波形。
[0017]優選的，所述微波信號發生裝置包括第一微波信號源和第二微波信號源，所述第一微波信號源的IOMHz參考信號輸出端與第二微波信號源的IOMHz參考輸入端相連接,所述第一微波信號源的另一輸出端輸出第一微波信號，所述第二微波信號源的輸出端輸出第二微波信號。
[0018]優選的，該裝置還包括對所述飛秒脈衝雷射束進行偏振的起偏器；連接在起偏器和延時單元之間的λ/2波片；對透射經過所述共面波導的飛秒雷射束進行補償的偏振光補償器；和連接在偏振光補償器和偏振光分光器之間的λ /4波片。
[0019]優選的，該裝置還包括連接在飛秒脈衝雷射器和起偏器之間的斬波器；和為所述斬波器和鎖相放大器提供參考信號的函數發生器。
[0020]優選的，該裝置還包括控制單元，所述控制單元控制延時單元和鎖相放大器，以使鎖相放大器與延時單元的每一步進對應採集所述平衡光電探測器產生的電流差，所述計算單元基於傅立葉變換對延時周期內相應的採集數據進行處理以得到梳狀譜發生器的相位
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[0021]一種用於測量梳狀譜發生器相位譜的方法，該方法包括
[0022]以第一微波信號作為參考信號得到梳狀譜信號，並將該信號通過GSG微波探針傳輸至共面波導；
[0023]基於第二微波信號產生飛秒脈衝雷射束，所述第一微波信號與所述第二微波信號同步；
[0024]經過延時和聚焦的飛秒雷射束入射到其背面襯底形成有電光效應材料的共面波導襯底上，入射位置處於共面波導信號電極和地電極的縫隙間；
[0025]對從共面波導正面透射出的飛秒脈衝雷射進行偏振分光，分光後的兩路光束入射至平衡光電探測器；
[0026]與延時單元的每一步進相對應的採集所述平衡光電探測器產生的電流差進行採樣，並得到採樣信號。
[0027]優選的，所述飛秒雷射束在延時單元移動範圍內保持準直。
[0028]優選的，該方法進一步包括控制所述延時單元掃描一個周期，並控制所述鎖相放大器將該周期內相對應地採集到的測量數據進行處理，得到時域波形。
[0029]優選的，該方法進一步包括基於傅立葉變換對時域波形進行處理，得到梳狀譜發生器的相位譜。
[0030]本發明優點在於基於光電技術能夠準確的測量梳狀譜發生器的時域波形，進而得到梳狀譜發生器的相位譜。裝置理論上可測量帶寬高達IlOGHz的梳狀譜發生器，並且與傳統梳狀譜發生器相位譜測量方法相比，具有修正處理少，溯源鏈完整等優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1示為一種用於測量梳狀譜發生器相位譜的裝置示意圖；
[0032]Al、參考信號輸出端，A2、梳狀譜信號的信號輸入端；
[0033]1、第一微波信號源,2、第二微波信號源,3、梳狀譜發生器,4、微波探針,5、共面波導，6、飛秒脈衝雷射器,7、斬波器,8、起偏器,9、光學延時線，10、λ /2波片,11、偏振光補償器，12、λ /4波片，13、偏振光分光器，14、平衡光電探測器，15、鎖相放大器，16、計算機，17、函數發生器。
【具體實施方式】[0034]下面根據附圖對本發明做進一步描述。
[0035]該裝置包括用於輸出所述第一微波信號的參考信號輸出端Al和用於輸入與飛秒脈衝雷射束同步的梳狀譜信號的信號輸入端A2，該裝置進一步包括第一微波信號源1、第二微波信號源2、梳狀譜發生器3、GSG微波探針4、共面波導5、飛秒脈衝雷射器6、斬波器7、起偏器8、光學延時線9、λ /2波片10、偏振光補償器11、λ /4波片12、偏振光分光器13、平衡光電探測器14、鎖相放大器15、控制和計算單元16和函數發生器17。
[0036]第一微波信號源的IOMHz參考信號輸出端與第二微波信號源的IOMHz參考輸入端相連接，所述第一微波信號源的另一輸出端與梳狀譜發生器3的輸入端連接，所述第二微波信號源的輸出端與飛秒脈衝雷射器6的穩頻參考輸入端連接。梳狀譜發生器3的輸出端連接微波探針4，微波探針4與共面波導5壓接。飛秒脈衝雷射器6輸出的雷射在空間中傳播，依次經過斬波器7、起偏器8、例如光學延時線9的延時單元和λ/2波片10，入射到共面波導5的鈮酸鋰晶體襯底上，入射光由共面波導5信號電極與地電極之間的間隙透射，透射光依次經過偏振光補償器11、λ /4波片12、偏振光分器13，射入平衡光電探測器14中，平衡光電探測器14輸出端與鎖相放大器15信號輸入端相連。函數發生器17的兩個參考信號輸出端分別連接到斬波器7參考輸入端與鎖相放大器15參考輸入端。例如計算機的控制和計算單元通過GPIB-UBS線與鎖相放大器15與光學延時線9相連接。
[0037]圖1所述裝置的工作過程:第一微波信號源的IOMHz參考信號輸出端輸出的IOMHz微波信號作為參考信號傳輸給第二微波信號源2,第一微波信號源I的另一輸出端輸出的第一微波信號作為梳狀譜發生器3的激勵信號，第二微波信號源2基於所述的IOMHz參考信號輸出與第一微波信號共時基的第二微波信號，所述第二微波信號為頻率為f的正弦信號。所述第二微波信號作為飛秒脈衝雷射器6的穩頻參考信號，使得梳狀譜發生器3與飛秒脈衝雷射器6同步。梳狀譜發生器3的輸出信號通過微波探針4壓接到共面波導5中傳輸。飛秒脈衝雷射器6輸出的飛秒脈衝雷射作為線偏振的探測光，由自由空間傳播，首先經過斬波器7調製，然後經過起偏器8，提高探測光的線偏振度，之後經過例如光學延時線9的延時單元與λ /2波片10入射到共面波導5的鈮酸鋰晶體襯底之中，λ /2波片10的作用是旋轉光偏振方向，使其與電光晶體光軸有適當的夾角。在共面波導5中傳輸的梳狀譜發生器3信號會產生在共面波導5附近產生電場，該電場通過電光效應改變共面波導5襯底鈮酸鋰的折射率，進而改變在鈮酸鋰晶體中傳播的探測光的偏振態。探測光由共面波導5的信號電極與地電極之間的間隙透射出去。透射的探測光經過偏振光補償器11補償電光晶體本身引起的s光和P光的相對相移，在被測電場作用鈮酸鋰晶體時，探測光束經補償器後變為橢圓偏振光。探測光繼續經過λ /4波片12,由偏振光分光器13分為s光與P光兩束。兩束光進入平衡光電探測器14,光信號轉換成強度與s光與P光光強差成正比的電流差。電流差正比於被測電場強度。將差電流輸入到鎖相放大器15的信號輸入端。函數發生器17輸出的兩路參考信號，分別為斬波器7與鎖相放大器15提供參考信號。例如計算機的控制和計算單元控制光學延時線9與鎖相放大器15，實現對共面波導5中梳狀譜發生器3時域信號的電光取樣測量。對測量得到的時域信號進行傅立葉變化，即可得到梳狀譜發生器3準確的相位譜。
[0038]根據上述裝置，本發明具體實施步驟:
[0039]a)將第一微波信號源I的IOMHz參考信號輸出端與第二微波信號源2的IOMHz參考信號輸入端相連。
[0040]b)根據需求調節兩個微波信號源輸出正弦信號的幅度與頻率，將第一微波信號源I的另一輸出端連接到梳狀譜發生器3的輸入端。
[0041]c)將第二微波信號源2的輸出端連接到飛秒脈衝雷射器6的穩頻參考輸入端。
[0042]d)將梳狀譜發生器3輸出端與微波探頭4輸入端連接，微波探頭4通過5維高精度平移臺壓接到共面波導5上。
[0043]e)將飛秒脈衝雷射器6輸出的線偏振探測光通過斬波器7。
[0044]f)將通過斬波器7調製後的光入射到起偏器8上。
[0045]g)將通過起偏器8的探測光入射到光學延時線9的光輸入反射鏡上。
[0046]h)調節光學延時線9的入射反射鏡和出射反射鏡，使得經過光學延時線9傳輸的飛秒脈衝雷射在光學延時線9移動範圍內保證準直。
[0047]i)將光學延時線9出射反射鏡的光通過λ /2波片10並進行聚焦。
[0048]j)將聚焦後的探測光入射到共面波導5背面的鈮酸鋰晶體襯底上，並保證入射光斑的位置處於共面波導5的信號電極與地電極縫隙之間。
[0049]k)將從共面波導5正面透射過來的探測光入射到線偏振補償器11中。
[0050]I)將線偏振補償器11中出射的光通過λ /4波片12。
[0051]m)將透過λ /4波片12的光入射到線偏振光分光器13中。
[0052]η)將分光器的兩路輸出光輸入到平衡光電探測器14中。
[0053]ο)將平衡光電探測器14的輸出端與鎖相放大器15的信號輸入端相連。
[0054]ρ)將函數發生17器的參考信號兩路輸出端與斬波器7參考信號輸入端與鎖相放大器15參考輸入端相連
[0055]q)通過計算機16控制光學延時線9實現光學延時
[0056]r)通過計算機16控制鎖相放大器15對平衡光電探測器14輸入到鎖相放大器15的電流進行測量並採集測量結果。
[0057]s)過計算機16控制光學延時線9每步進一次，對應的控制鎖相放大器15進行一次數據採集，使得光學延時線9掃描一個周期，將整個周期內採集到的測量數據進行畫圖處理，就可以得到梳狀譜發生器3輸出信號的時域波形。
[0058]t)對時域波形進行傅立葉變換，可以得到梳狀譜發生器3的相位譜。
[0059]綜上所述本發明的技術方案可基於光電技術能夠準確的測量梳狀譜發生器的時域波形，進而得到梳狀譜發生器的相位譜。裝置理論上可測量帶寬高達IlOGHz的梳狀譜發生器，並且與傳統梳狀譜發生器相位譜測量方法相比，具有修正處理少，溯源鏈完整等優點。
[0060]可以理解為，本發明是通過一些實施例進行描述的，本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可以對這些特徵和實施例進行各種改變或等效替換。另外，在本發明的教導下，可以對這些特徵和實施例進行修改以適應具體的情況及材料而不會脫離本發明的精神和範圍。因此，本發明不受此處所公開的具體實施例的限制，所有落入本申請的權利要求範圍內的實施例都屬於本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種用於測量梳狀譜發生器相位譜的裝置，其特徵在於:該測量裝置包括 用於產生同步的第一微波信號和第二微波信號的微波信號發生裝置； 用於輸出所述第一微波信號的激勵信號輸出端； 基於所述第二微波信號產生飛秒脈衝雷射束的飛秒脈衝雷射器； 沿所述飛秒脈衝雷射束傳輸路徑設置的延時單元； 用於輸入與所述飛秒脈衝雷射束同步的梳狀譜信號的信號輸入端； 其背面襯底形成有電光效應材料的共面波導，該共面波導被定位為使得經延時和聚焦的飛秒雷射束在共面波導背面襯底的入射位置處於共面波導信號電極和地電極的縫隙間； GSG微波探針，用於將所述梳狀譜信號耦合到所述共面波導以產生輻射電場； 沿透射經過共面波導的飛秒雷射束的傳輸路徑依次設置的偏振光分光器和平衡光探測器； 鎖相放大器，用於與延時單元的每一步進相對應的採集所述平衡光電探測器產生的電流差; 計算單元，基於所採集的電流差得到所述梳狀譜信號的時域波形。
2.根據權利要求1所述的一種用於測量梳狀譜發生器相位譜的裝置，其特徵在於:所述微波信號發生裝置包括第一微波信號源和第二微波信號源，所述第一微波信號源的IOMHz參考信號輸出端與第二微波信號源的IOMHz參考輸入端相連接,所述第一微波信號源的另一輸出端輸出第一微波信·號，所述第二微波信號源的輸出端輸出第二微波信號。
3.根據權利要求1所述的一種用於測量梳狀譜發生器相位譜的裝置，其特徵在於:該裝置還包括 對所述飛秒脈衝雷射束進行偏振的起偏器； 連接在起偏器和延時單元之間的λ/2波片； 對透射經過所述共面波導的飛秒雷射束進行補償的偏振光補償器；和 連接在偏振光補償器和偏振光分光器之間的λ /4波片。
4.根據權利要求1所述的一種用於測量梳狀譜發生器相位譜的裝置，其特徵在於:該裝置還包括 連接在飛秒脈衝雷射器和起偏器之間的斬波器；和 為所述斬波器和鎖相放大器提供參考信號的函數發生器。
5.根據權利要求1所述的一種用於測量梳狀譜發生器相位譜的裝置，其特徵在於:該裝置還包括控制單元， 所述控制單元控制延時單元和鎖相放大器，以使鎖相放大器與延時單元的每一步進對應採集所述平衡光電探測器產生的電流差， 所述計算單元基於傅立葉變換對延時周期內相應的採集數據進行處理以得到梳狀譜發生器的相位譜。
6.一種用於測量梳狀譜發生器相位譜的方法，其特徵在於:該方法包括 以第一微波信號作為參考信號得到梳狀譜信號，並將該信號通過GSG微波探針傳輸至共面波導； 基於第二微波信號產生飛秒脈衝雷射束，所述第一微波信號與所述第二微波信號同I K少； 經過延時和聚焦的飛秒雷射束入射到其背面襯底形成有電光效應材料的共面波導襯底上，入射位置處於共面波導信號電極和地電極的縫隙間； 對從共面波導正面透射出的飛秒脈衝雷射進行偏振分光，分光後的兩路光束入射至平衡光電探測器； 與延時單元的每一步進相對應的採集所述平衡光電探測器產生的電流差進行採樣，並得到採樣信號。
7. 根據權利要求6所述的一種用於測量梳狀譜發生器相位譜的方法，其特徵在於:所述飛秒雷射束在延時單元移動範圍內保持準直。
8.根據權利要求6所述的一種用於測量梳狀譜發生器相位譜的方法，其特徵在於:該方法進一步包括控制所述延時單元掃描一個周期，並控制所述鎖相放大器將該周期內相對應地採集到的測量數據進行處理，得到時域波形。
9.根據權利要求6所述的一種用於測量梳狀譜發生器相位譜的方法，其特徵在於:該方法進一步包括基於傅立葉變換對時域波形進行處理，得到梳狀譜發生器的相位譜。
【文檔編號】G01R23/17GK103529296SQ201310520965
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月29日 優先權日:2013年10月29日
【發明者】姜河, 龔鵬偉, 謝文, 馬紅梅, 楊春濤 申請人:北京無線電計量測試研究所