一種用於產生定標的超快脈衝信號的裝置及方法
2023-11-06 04:58:07 4
一種用於產生定標的超快脈衝信號的裝置及方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於產生定標的超快脈衝信號的裝置，包括微波信號源、功分器、第一飛秒雷射器、第二飛秒雷射器、第一聚焦透鏡、直流電壓源、直流探針、光導開關、光學延時線、平衡光電探測器、平面鏡、第二聚焦透鏡、斬波器、函數發生器、鎖相放大器、計算機、微波探針。本發明優點在於基於飛秒光電技術能夠產生上升時間小於2ps的脈衝信號，同時能對產生的超快脈衝信號進行準確的測量、定標，經過定標的超快脈衝信號可以作為標準超快脈衝信號用於寬帶實時示波器上升時間的校準，實現了寬帶實時示波器上升時間校準的新突破，提高了上升時間校準的準確度，且能夠形成完整溯源鏈。
【專利說明】一種用於產生定標的超快脈衝信號的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種校準上升時間的裝置，特別是一種用於產生定標的超快脈衝信號的裝置。
【背景技術】
[0002]目前，商品型示波器校準儀產生的標準脈衝的最快上升時間是25ps，會給寬帶示波器上升時間的校準結果引入巨大誤差。基於純電子學理論的非線性傳輸線產生技術，能夠產生上升時間約為5ps的快脈衝，但是該脈衝很難準確定標，不能形成完整溯源鏈，而且在校準寬帶示波器上升時間時同樣會引入較大誤差。基於光電子學理論的商品型光電探測器產生技術，能夠產生上升時間約為7ps的快脈衝，但是光電探測器自身衝激響應的校準不能形成完整溯源鏈，很難準確定標，在寬帶示波器上升時間校準過程中會引入較大誤差。
[0003]目前，商品型實時示波器的最高帶寬是65GHz，其上升時間的理論值大約為6ps，為了滿足此類實時示波器上升時間的校準，就需要標準超快脈衝信號的上升時間小於2ps。為了保證示波器測量信號的準確度，需要周期性的對示波器進行校準。示波器需要校準的眾多指標參數中最終要的就是上升時間的指標。示波器上升時間的校準，本質上是利用一個已知參數的標準超快脈衝信號進行校準，要求標準超快脈衝信號的上升時間至少優於待校準示波器上升時間3倍，這樣才能在95%置信概率下，誤差控制在5%左右。
[0004]傳統的基於純電子學技術的快脈衝產生和測量技術都無法滿足寬帶實時示波器上升時間的校準，就需要探索和研究新的方法。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的技術問題是提供一種用於產生定標的超快脈衝信號的裝置及方法，用以解決寬帶實時示波器上升時間不能準確校準的問題，提高校準的準確度。
[0006]為解決上述技術問題，本發明採用下述技術方案:
[0007]—種用於產生定標的超快脈衝信號的裝置，該裝置包括:
[0008]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；
[0009]基於第一路微波信號產生第一雷射束的第一飛秒雷射器；
[0010]基於第二路微波信號產生第二雷射束的第二飛秒雷射器；
[0011]用於將所述第二雷射束延時的延時單元；
[0012]其背面襯底形成有電光效應材料的光導開關，所述第一雷射束被聚焦到光導開關正面的光導縫隙處，激勵光導縫隙產生光生載流子，經延時的第二雷射束被聚焦入射到光導開關背面，反射出偏振態發生變化的反射光；
[0013]用於給所述光導開關提供直流電壓的直流電壓源，所述光生載流子在光導開關上面的直流電壓作用下產生超快脈衝信號；
[0014]平衡光電探測器，基於接收的反射光產生電信號；和
[0015]鎖相放大器，用於與所述延時單元的延時相應的採集平衡光電探測器輸出的電信號;
[0016]計算單元，基於所採集的電信號計算所述超快脈衝信號的上升沿時間以對該超快脈衝信號進行定標；
[0017]與所述光導開關壓接的微波探針，用於輸出所述經定標的超快脈衝信號。
[0018]優選的，所述信號發生器包括用於提供微波信號的微波信號源；和用於將所微波信號分為同步的第一微波信號和第二微波信號的功分器。
[0019]優選的，所述第一飛秒雷射器採用780nm型飛秒雷射器，所述第二飛秒雷射器採用1560nm型飛秒雷射器。
[0020]優選的，該裝置還包括用於為第一雷射束調製的斬波器；和用於為所述斬波器提供驅動信號和為所述鎖相放大器提供與所述斬波器驅動信號同步觸發的參考信號的函數發生器。
[0021]優選的，該裝置還包括連接在所述直流電壓源和光導開關之間的直流探針，所述直流探針與光導開關壓接。
[0022]優選的，該裝置進一步包括控制單元，用於控制延時單元的延時和鎖相放大器對電信號的採集。
[0023]優選的，所述微波探頭與光導開關壓接，所述微波探針和光導開關連接位置與第二雷射束聚焦位置的垂直方向上保持一致。
[0024]一種用於產生定標的超快脈衝信號的方法，該方法包括
[0025]利用第一飛秒雷射器基於第一路微波信號產生第一雷射束，利用第二飛秒雷射器基於第二路微波信號產生第二雷射束，所述第一微波信號與第二微波信號同步；
[0026]將經斬波器調製後的第一雷射束經聚焦後射入光導開關的光敏縫隙中產生光生載流子，並在光導開關的直流電壓作用下產生超快電脈衝信號；
[0027]將第二雷射束經延時和聚焦後，入射到光導開關背面的具有電光效應的襯底材料上；
[0028]經所述襯底材料上反射的光束入射至平衡光電探測器中產生電信號；
[0029]鎖相放大器與延時單元的延時相應的對所述電信號進行採集
[0030]優選的，所述超快電脈衝沿光導開關傳輸Imm?2_，所述第二雷射束聚焦的位置與光導縫隙的水平距離為Imm?2mm，同時保證第二雷射束聚焦位置落入超快電脈衝傳輸距離範圍內。。
[0031]優選的，該方法進一步包括將延時單元掃描整個周期內採集到的測量數據進行處理，獲得上升時間被確定的超快脈衝信號。
[0032]本發明優點在於基於飛秒光電技術能夠產生上升時間小於2ps的脈衝信號，同時能對產生的超快脈衝信號進行準確的測量、定標，經過定標的超快脈衝信號可以作為標準超快脈衝信號用於寬帶實時示波器上升時間的校準，實現了寬帶實時示波器上升時間校準的新突破，提高了上升時間校準的準確度，且能夠形成完整溯源鏈。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]圖1示為一種用於產生定標的超快脈衝信號的裝置示意圖。
[0034]1、微波信號源，2、功分器,3、第一飛秒雷射器,4、第二飛秒雷射器,5、第一聚焦透鏡，6、直流電壓源，7、直流探針，8、光導開關，9、光學延時線，10、平衡光電探測器，11、平面鏡，12、第二聚焦透鏡，13、斬波器，14，函數發生器，15、鎖相放大器，16、計算機，17、微波探針，18、待校準寬帶實時示波器。
【具體實施方式】
[0035]下面根據附圖對本發明做進一步描述。
[0036]一種用於產生定標的超快脈衝信號的裝置，包括微波信號源1、功分器2、第一飛秒雷射器3、第二飛秒雷射器4、第一聚焦透鏡5、直流電壓源6、直流探針7、光導開關8、光學延時線9、平衡光電探測器10、平面鏡11、第二聚焦透鏡12、斬波器13、函數發生器14、鎖相放大器15、計算機16、微波探針17。
[0037]微波信號源I的輸出端和功分器2的輸入端連接,功分器2的一個輸出端和第一飛秒雷射器3參考信號輸入端連接,功分器2的另外一個輸出端和第二飛秒雷射器4參考信號輸入端連接，函數發生器14的信號輸出端和斬波器13的參考輸入端連接，函數發生器14的同步觸發輸出端和鎖相放大器15的參考輸入端連接，平衡光電探測器10的輸出端和鎖相放大器15的信號輸入端連接，直流電壓源6的輸出端和直流探針7的同軸輸入端連接，直流探針6的GSG探針端和光導開關8的GSG電極連接，微波探針17的GSG探針端和光導開關8的GSG電極連接，微波探針17的同軸輸出端和待校準寬帶實時示波器18的輸入端連接，第一飛秒雷射器3輸出的空間光通過斬波器13，通過斬波器13之後的空間光通過第一聚焦透鏡5聚焦到光導開關8正面的光導縫隙處，第二飛秒雷射器4輸出的空間光通過例如光學延時線9的延時單元，通過光學延時線9之後的空間光依次通過平面鏡11和第二聚焦透鏡12聚焦到光導開關8背面的襯底材料上，通過光導開關8背面的襯底材料反射的空間光聚焦到平衡光電探測器10的輸入端，例如計算機16的控制單元和計算單元通過GPIB控制線與鎖相放大器15和光學延時線9的控制端連接。
[0038]圖1所述測量裝置的工作過程:首先通過微波信號源I和功分器2為第一飛秒雷射器3例如780nm飛秒雷射器和第二飛秒雷射器4例如1560nm飛秒雷射器提供同步的參考信號，保證兩臺飛秒雷射器輸出同步的飛秒雷射束。函數發生器14的輸出信號驅動斬波器13對第一飛秒雷射器3輸出的空間光進行調製，經過調製後的空間光經過第一聚焦透鏡5聚焦到光導開關8正面的光導縫隙處激勵光導縫隙產生光生載流子，光生載流子在加到光導開關8上面的直流電壓的作用下快速運動，產生超快電脈衝，超快電脈衝沿光導開關8傳輸例如1_?2_的一段距離，同時與第一飛秒雷射器3同步的第二飛秒雷射器4輸出的空間光通過其延時量受例如計算機16的控制單元控制的延時單元例如光學延時線9,通過光學延時線9之後的空間光透過平面鏡11後被聚焦到超快電脈衝傳輸了所述1_?2mm的距離後對應的光導開關8背面的位置處並在該位置反射，該裝置採用的平面鏡11的一面貼有1560nm光增透膜，透光率為99.9%，另一面的貼有1560nm光高反射膜，反射率為99.9%，上述貼有兩種膜的平面鏡11可滿足本裝置對1560nm光的增透和反射的需要。光導開關8背面的襯底材料具有電光效應，使得這束從光導開關8背面入射的光在超快電脈衝電場的作用下其反射光的偏振態發生變化，偏振態發生變化的反射光經所述平面鏡11反射後入射到平衡光電探測器10，通過平衡光電探測器10將偏振態變化的光轉變為變化的電信號，由於這種變化很微弱，需要使用鎖相放大器15對這種變化進行測量。用函數發生器14的同步觸發輸出信號作為鎖相放大器15的參考信號，例如計算機16的計算單元可根據測量的電信號的大小推算偏振態的變化從而可以推算出超快電脈衝的電場強度。通過計算機16對延時線9和鎖相放大器15進行控制，使得用鎖相放大器15測量平衡光電探測器10輸出電信號與光學延時線9的移動相對應，利用等效取樣原理測得超快電脈衝的時域波形，由此實現對超快電脈衝時域波形的電光取樣測量。將測量後準確的超快脈衝信號通過微波探針17耦合輸出作為校準寬帶實時示波器18上升時間的標準超快脈衝信號，實現對寬帶實時示波器上升時間的校準。
[0039]利用本發明的校準裝置對示波器進行校準的具體實施步驟為:
[0040]a)將微波信號源I的輸出連接到功分器2的輸入端；
[0041]b)將功分器2的兩個輸出端分別連接到780nm的第一飛秒雷射器3和1560nm的
第二飛秒雷射器4的參考信號輸入端，確保兩臺飛秒雷射器輸出的飛秒脈衝雷射的重複頻率穩定的鎖定到同一頻率源上；
[0042]c)將第一飛秒雷射器3輸出的空間光通過斬波器13 ；
[0043]d)將通過斬波器13輸出的第一雷射束通過焦距例如為50mm的第一聚焦透鏡5聚焦到光導開關8正面的光導縫隙處產生光生載流子；
[0044]e)將第二飛秒雷射器4輸出的空間光入射到光學延時線9的光輸入反射鏡上；
[0045]f)調節光學延時線9的輸入反射鏡和輸出反射鏡,使得經過光學延時線9傳輸的第二雷射束在延時線移動範圍內保持準直；
[0046]g)將光學延時線9輸出反射鏡輸出的第二雷射束透射通過平面鏡11的1560nm增透面；
[0047]h)將通過平面鏡的第二雷射束通過焦距例如為15_的第二聚焦透鏡12，聚焦到光導開關背面的襯底材料上，聚焦的位置與光導縫隙的水平距離為Imm?2mm ;
[0048]i)將光導開關8背面電極反射回的第二雷射束通過平面鏡11的1560nm反射面射入到平衡光電探測器10 ；
[0049]j)通過3維高精度平移臺調節直流探針7，將直流探針7的GSG三根探針分別壓接到光導開關8上的GSG三根電極上；
[0050]k)將直流電壓源6的輸出端連接到直流探針7的同軸輸入端，設置直流電壓源6的輸出電壓為15V?30V，給光導開關8提供直流偏置工作電壓，使得產生的光生載流子定向移動Imm?2mm的一段距離至經延時的第二雷射束入射至光導開關背面襯底的位置；
[0051]I)將函數發生器14的信號輸出端連接到斬波器13的信號輸入端，設置函數發生為方波信號輸出，頻率控制在IKHz?20KHz，幅度控制在4V?5V，通過斬波器對第一雷射束進彳T調製；
[0052]m)將函數發生器14的觸發輸出端連接到鎖相放大器15的參考信號輸入端，為鎖相放大器15測量信號提供參考信號；
[0053]η)將平衡光電探測器10的信號輸出端連接到鎖相放大器15的信號輸入端；
[0054]ο)通過計算機16控制光學延時線9實現光學延時；
[0055]ρ)通過計算機16控制鎖相放大器15對平衡光電探測器10產生的信號進行測量並採集測量結果；
[0056]q)通過計算機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數據處理，例如畫圖處理，可以得到第一雷射束激勵光導開關8正面光導縫隙產生的超快電脈衝，對該超快脈衝信號進行定標，此定標超快脈衝信號是具有標準上升沿時間的超快脈衝信號，將此定標超快脈衝信號作為標準超快脈衝信號用於寬帶實時示波器18上升時間的校準；
[0057]r)通過3維高精度平移臺調節微波探針17，將微波探針17的GSG三根探針分別壓接到光導開關8上的GSG三根電極上，壓接的位置距離光導開關8正面光導縫隙Imm?2mm,與光導開關8背面入射的第二雷射束的位置在垂直方向上保持一致，這樣才能保證在該位置處定標的超快脈衝信號在該位置處被用作標準超快脈衝信號校準寬帶實時示波器18的上升時間；
[0058]s)將微波探針17的同軸輸出端連接到待校準寬帶實時示波器18的通道上，對寬帶實時示波器的該通道進行上升時間的校準；
[0059]綜上所述裝置及方法，能夠產生上升時間小於2ps的超快脈衝信號，同時能對產生的超快脈衝信號進行準確的測量、定標，經過定標的超快脈衝信號可以作為標準超快脈衝信號用於寬帶實時示波器上升時間的校準，實現了寬帶實時示波器上升時間校準的新突破，提高了上升時間校準的準確度，且能夠形成完整溯源鏈。
[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】
1.一種用於產生定標的超快脈衝信號的裝置，其特徵在於:該裝置包括: 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； 基於第一路微波信號產生第一雷射束的第一飛秒雷射器； 基於第二路微波信號產生第二雷射束的第二飛秒雷射器； 用於將所述第二雷射束延時的延時單元； 其背面襯底形成有電光效應材料的光導開關，所述第一雷射束被聚焦到光導開關正面的光導縫隙處，激勵光導縫隙產生光生載流子，經延時的第二雷射束被聚焦入射到光導開關背面，反射出偏振態發生變化的反射光； 用於給所述光導開關提供直流電壓的直流電壓源，所述光生載流子在光導開關上面的直流電壓作用下產生超快脈衝信號； 平衡光學電探測器，基於接收的反射光產生電信號；和 鎖相放大器，用於與所述延時單元的延時相應的採集平衡光電探測器輸出的電信號；計算單元，基於所採集的電信號計算所述超快脈衝信號的上升沿時間以對該超快脈衝信號進行定標； 與所述光導開關壓接的微波探針，用於輸出所述經定標的超快脈衝信號。
2.根據權利要求1所述的一種用於產生定標的超快脈衝信號的裝置，其特徵在於:所述信號發生器包括 用於提供微波信號的微波信號源；和 用於將所微波信號分為同步的的第一微波信號和第二微波信號的功分器。
3.根據權利要求1所述的一種用於產生定標的超快脈衝信號的裝置，其特徵在於:所述第一飛秒雷射器採用780nm型飛秒雷射器，所述第二飛秒雷射器採用1560nm型飛秒雷射器。
4.根據權利要求1所述的一種用於產生定標的超快脈衝信號的裝置，其特徵在於:該裝置還包括 用於為第一雷射束調製的斬波器；和 用於為所述斬波器提供驅動信號和為所述鎖相放大器提供與所述斬波器驅動信號同步觸發的參考信號的函數發生器。
5.根據權利要求1所述的一種用於產生定標的超快脈衝信號的裝置，其特徵在於:該裝置還包括連接在所述直流電壓源和光導開關之間的直流探針，所述直流探針與光導開關壓接。
6.根據權利要求1所述的一種用於產生定標的超快脈衝信號的裝置，其特徵在於:該裝置進一步包括控制單元，用於控制延時單元的延時和鎖相放大器對電信號的採集。
7.根據權利要求1所述的一種用於產生定標的超快脈衝信號的裝置，其特徵在於:所述微波探頭與光導開關壓接，所述微波探針和光導開關連接位置與第二雷射束聚焦位置的垂直方向上保持一致。
8.一種用於產生定標的超快脈衝信號的方法，其特徵在於:該方法包括 利用第一飛秒雷射器基於第一路微波信號產生第一雷射束，利用第二飛秒雷射器基於第二路微波信號產生第二雷射束，所述第一微波信號與第二微波信號同步； 將經斬波器調製後的第一雷射束經聚焦後射入光導開關的光敏縫隙中產生光生載流子，並在光導開關的直流電壓作用下產生超快電脈衝信號； 將第二雷射束經延時和聚焦後，入射到光導開關背面的具有電光效應的襯底材料上； 經所述襯底材料上反射的光束入射至平衡光電探測器中產生電信號； 鎖相放大器與延時單元的延時相應的對所述電信號進行採集。
9.根據權利要求8所述的一種用於產生定標的超快脈衝信號的方法，其特徵在於:所述超快電脈衝沿光導開關傳輸Imm~2mm，所述第二雷射束聚焦的位置與光導縫隙的水平距離為1mm~2mm，同時保證第二雷射束聚焦位置落入超快電脈衝傳輸距離範圍內。
10.根據權利要求8所述的一種用於產生定標的超快脈衝信號的方法，其特徵在於:該方法進一步包括將延時單元掃描整個周期內採集到的測量數據進行處理，獲得上升時間被確定的超快脈衝信 號。
【文檔編號】G01R35/00GK103529419SQ201310519895
【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】龔鵬偉, 謝文, 馬紅梅, 楊春濤, 姜河, 諶貝 申請人:北京無線電計量測試研究所