CN103529419B - 一种用于产生定标的超快脉冲信号的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于产生定标的超快脉冲信号的装置，包括微波信号源、功分器、第一飞秒激光器、第二飞秒激光器、第一聚焦透镜、直流电压源、直流探针、光导开关、光学延时线、平衡光电探测器、平面镜、第二聚焦透镜、斩波器、函数发生器、锁相放大器、计算机、微波探针。本发明优点在于基于飞秒光电技术能够产生上升时间小于2ps的脉冲信号，同时能对产生的超快脉冲信号进行准确的测量、定标，经过定标的超快脉冲信号可以作为标准超快脉冲信号用于宽带实时示波器上升时间的校准，实现了宽带实时示波器上升时间校准的新突破，提高了上升时间校准的准确度，且能够形成完整溯源链。

Description

一种用于产生定标的超快脉冲信号的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种校准上升时间的装置，特别是一种用于产生定标的超快脉冲信号的装置。

背景技术

目前，商品型示波器校准仪产生的标准脉冲的最快上升时间是25ps，会给宽带示波器上升时间的校准结果引入巨大误差。基于纯电子学理论的非线性传输线产生技术，能够产生上升时间约为5ps的快脉冲，但是该脉冲很难准确定标，不能形成完整溯源链，而且在校准宽带示波器上升时间时同样会引入较大误差。基于光电子学理论的商品型光电探测器产生技术，能够产生上升时间约为7ps的快脉冲，但是光电探测器自身冲激响应的校准不能形成完整溯源链，很难准确定标，在宽带示波器上升时间校准过程中会引入较大误差。

目前，商品型实时示波器的最高带宽是65GHz，其上升时间的理论值大约为6ps，为了满足此类实时示波器上升时间的校准，就需要标准超快脉冲信号的上升时间小于2ps。为了保证示波器测量信号的准确度，需要周期性的对示波器进行校准。示波器需要校准的众多指标参数中最终要的就是上升时间的指标。示波器上升时间的校准，本质上是利用一个已知参数的标准超快脉冲信号进行校准，要求标准超快脉冲信号的上升时间至少优于待校准示波器上升时间3倍，这样才能在95%置信概率下，误差控制在5%左右。

传统的基于纯电子学技术的快脉冲产生和测量技术都无法满足宽带实时示波器上升时间的校准，就需要探索和研究新的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于产生定标的超快脉冲信号的装置及方法，用以解决宽带实时示波器上升时间不能准确校准的问题，提高校准的准确度。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种用于产生定标的超快脉冲信号的装置，该装置包括：

用于产生同步的第一微波信号和第二微波信号的微波信号发生装置；

基于第一路微波信号产生第一激光束的第一飞秒激光器；

基于第二路微波信号产生第二激光束的第二飞秒激光器；

用于将所述第二激光束延时的延时单元；

其背面衬底形成有电光效应材料的光导开关，所述第一激光束被聚焦到光导开关正面的光导缝隙处，激励光导缝隙产生光生载流子，经延时的第二激光束被聚焦入射到光导开关背面，反射出偏振态发生变化的反射光；

用于给所述光导开关提供直流电压的直流电压源，所述光生载流子在光导开关上面的直流电压作用下产生超快脉冲信号；

平衡光电探测器，基于接收的反射光产生电信号；和

锁相放大器，用于与所述延时单元的延时相应的采集平衡光电探测器输出的电信号；

计算单元，基于所采集的电信号计算所述超快脉冲信号的上升沿时间以对该超快脉冲信号进行定标；

与所述光导开关压接的微波探针，用于输出所述经定标的超快脉冲信号。

优选的，所述信号发生器包括用于提供微波信号的微波信号源；和用于将所微波信号分为同步的第一微波信号和第二微波信号的功分器。

优选的，所述第一飞秒激光器采用780nm型飞秒激光器，所述第二飞秒激光器采用1560nm型飞秒激光器。

优选的，该装置还包括用于为第一激光束调制的斩波器；和用于为所述斩波器提供驱动信号和为所述锁相放大器提供与所述斩波器驱动信号同步触发的参考信号的函数发生器。

优选的，该装置还包括连接在所述直流电压源和光导开关之间的直流探针，所述直流探针与光导开关压接。

优选的，该装置进一步包括控制单元，用于控制延时单元的延时和锁相放大器对电信号的采集。

优选的，所述微波探头与光导开关压接，所述微波探针和光导开关连接位置与第二激光束聚焦位置的垂直方向上保持一致。

一种用于产生定标的超快脉冲信号的方法，该方法包括

利用第一飞秒激光器基于第一路微波信号产生第一激光束，利用第二飞秒激光器基于第二路微波信号产生第二激光束，所述第一微波信号与第二微波信号同步；

将经斩波器调制后的第一激光束经聚焦后射入光导开关的光敏缝隙中产生光生载流子，并在光导开关的直流电压作用下产生超快电脉冲信号；

将第二激光束经延时和聚焦后，入射到光导开关背面的具有电光效应的衬底材料上；

经所述衬底材料上反射的光束入射至平衡光电探测器中产生电信号；

锁相放大器与延时单元的延时相应的对所述电信号进行采集

优选的，所述超快电脉冲沿光导开关传输1mm～2mm，所述第二激光束聚焦的位置与光导缝隙的水平距离为1mm～2mm，同时保证第二激光束聚焦位置落入超快电脉冲传输距离范围内。。

优选的，该方法进一步包括将延时单元扫描整个周期内采集到的测量数据进行处理，获得上升时间被确定的超快脉冲信号。

本发明优点在于基于飞秒光电技术能够产生上升时间小于2ps的脉冲信号，同时能对产生的超快脉冲信号进行准确的测量、定标，经过定标的超快脉冲信号可以作为标准超快脉冲信号用于宽带实时示波器上升时间的校准，实现了宽带实时示波器上升时间校准的新突破，提高了上升时间校准的准确度，且能够形成完整溯源链。

附图说明

图1示为一种用于产生定标的超快脉冲信号的装置示意图。

1、微波信号源，2、功分器，3、第一飞秒激光器，4、第二飞秒激光器，5、第一聚焦透镜，6、直流电压源，7、直流探针，8、光导开关，9、光学延时线，10、平衡光电探测器，11、平面镜，12、第二聚焦透镜，13、斩波器，14，函数发生器，15、锁相放大器，16、计算机，17、微波探针，18、待校准宽带实时示波器。

具体实施方式

下面根据附图对本发明做进一步描述。

一种用于产生定标的超快脉冲信号的装置，包括微波信号源1、功分器2、第一飞秒激光器3、第二飞秒激光器4、第一聚焦透镜5、直流电压源6、直流探针7、光导开关8、光学延时线9、平衡光电探测器10、平面镜11、第二聚焦透镜12、斩波器13、函数发生器14、锁相放大器15、计算机16、微波探针17。

微波信号源1的输出端和功分器2的输入端连接，功分器2的一个输出端和第一飞秒激光器3参考信号输入端连接，功分器2的另外一个输出端和第二飞秒激光器4参考信号输入端连接，函数发生器14的信号输出端和斩波器13的参考输入端连接，函数发生器14的同步触发输出端和锁相放大器15的参考输入端连接，平衡光电探测器10的输出端和锁相放大器15的信号输入端连接，直流电压源6的输出端和直流探针7的同轴输入端连接，直流探针6的GSG探针端和光导开关8的GSG电极连接，微波探针17的GSG探针端和光导开关8的GSG电极连接，微波探针17的同轴输出端和待校准宽带实时示波器18的输入端连接，第一飞秒激光器3输出的空间光通过斩波器13，通过斩波器13之后的空间光通过第一聚焦透镜5聚焦到光导开关8正面的光导缝隙处，第二飞秒激光器4输出的空间光通过例如光学延时线9的延时单元，通过光学延时线9之后的空间光依次通过平面镜11和第二聚焦透镜12聚焦到光导开关8背面的衬底材料上，通过光导开关8背面的衬底材料反射的空间光聚焦到平衡光电探测器10的输入端，例如计算机16的控制单元和计算单元通过GPIB控制线与锁相放大器15和光学延时线9的控制端连接。

图1所述测量装置的工作过程：首先通过微波信号源1和功分器2为第一飞秒激光器3例如780nm飞秒激光器和第二飞秒激光器4例如1560nm飞秒激光器提供同步的参考信号，保证两台飞秒激光器输出同步的飞秒激光束。函数发生器14的输出信号驱动斩波器13对第一飞秒激光器3输出的空间光进行调制，经过调制后的空间光经过第一聚焦透镜5聚焦到光导开关8正面的光导缝隙处激励光导缝隙产生光生载流子，光生载流子在加到光导开关8上面的直流电压的作用下快速运动，产生超快电脉冲，超快电脉冲沿光导开关8传输例如1mm～2mm的一段距离，同时与第一飞秒激光器3同步的第二飞秒激光器4输出的空间光通过其延时量受例如计算机16的控制单元控制的延时单元例如光学延时线9，通过光学延时线9之后的空间光透过平面镜11后被聚焦到超快电脉冲传输了所述1mm～2mm的距离后对应的光导开关8背面的位置处并在该位置反射，该装置采用的平面镜11的一面贴有1560nm光增透膜，透光率为99.9%，另一面的贴有1560nm光高反射膜，反射率为99.9%，上述贴有两种膜的平面镜11可满足本装置对1560nm光的增透和反射的需要。光导开关8背面的衬底材料具有电光效应，使得这束从光导开关8背面入射的光在超快电脉冲电场的作用下其反射光的偏振态发生变化，偏振态发生变化的反射光经所述平面镜11反射后入射到平衡光电探测器10，通过平衡光电探测器10将偏振态变化的光转变为变化的电信号，由于这种变化很微弱，需要使用锁相放大器15对这种变化进行测量。用函数发生器14的同步触发输出信号作为锁相放大器15的参考信号，例如计算机16的计算单元可根据测量的电信号的大小推算偏振态的变化从而可以推算出超快电脉冲的电场强度。通过计算机16对延时线9和锁相放大器15进行控制，使得用锁相放大器15测量平衡光电探测器10输出电信号与光学延时线9的移动相对应，利用等效取样原理测得超快电脉冲的时域波形，由此实现对超快电脉冲时域波形的电光取样测量。将测量后准确的超快脉冲信号通过微波探针17耦合输出作为校准宽带实时示波器18上升时间的标准超快脉冲信号，实现对宽带实时示波器上升时间的校准。

利用本发明的校准装置对示波器进行校准的具体实施步骤为：

a)将微波信号源1的输出连接到功分器2的输入端；

b)将功分器2的两个输出端分别连接到780nm的第一飞秒激光器3和1560nm的第二飞秒激光器4的参考信号输入端，确保两台飞秒激光器输出的飞秒脉冲激光的重复频率稳定的锁定到同一频率源上；

c)将第一飞秒激光器3输出的空间光通过斩波器13；

d)将通过斩波器13输出的第一激光束通过焦距例如为50mm的第一聚焦透镜5聚焦到光导开关8正面的光导缝隙处产生光生载流子；

e)将第二飞秒激光器4输出的空间光入射到光学延时线9的光输入反射镜上；

f)调节光学延时线9的输入反射镜和输出反射镜，使得经过光学延时线9传输的第二激光束在延时线移动范围内保持准直；

g)将光学延时线9输出反射镜输出的第二激光束透射通过平面镜11的1560nm增透面；

h)将通过平面镜的第二激光束通过焦距例如为15mm的第二聚焦透镜12，聚焦到光导开关背面的衬底材料上，聚焦的位置与光导缝隙的水平距离为1mm～2mm；

i)将光导开关8背面电极反射回的第二激光束通过平面镜11的1560nm反射面射入到平衡光电探测器10；

j)通过3维高精度平移台调节直流探针7，将直流探针7的GSG三根探针分别压接到光导开关8上的GSG三根电极上；

k)将直流电压源6的输出端连接到直流探针7的同轴输入端，设置直流电压源6的输出电压为15V～30V，给光导开关8提供直流偏置工作电压，使得产生的光生载流子定向移动1mm～2mm的一段距离至经延时的第二激光束入射至光导开关背面衬底的位置；

l)将函数发生器14的信号输出端连接到斩波器13的信号输入端，设置函数发生为方波信号输出，频率控制在1KHz～20KHz，幅度控制在4V～5V，通过斩波器对第一激光束进行调制；

m)将函数发生器14的触发输出端连接到锁相放大器15的参考信号输入端，为锁相放大器15测量信号提供参考信号；

n)将平衡光电探测器10的信号输出端连接到锁相放大器15的信号输入端；

o)通过计算机16控制光学延时线9实现光学延时；

p)通过计算机16控制锁相放大器15对平衡光电探测器10产生的信号进行测量并采集测量结果；

q)通过计算机16控制光学延时线9每步进一次，对应的控制锁相放大器15进行一次数据采集，使得光学延时线9扫描一个周期，将整个周期内采集到的测量数据进行数据处理，例如画图处理，可以得到第一激光束激励光导开关8正面光导缝隙产生的超快电脉冲，对该超快脉冲信号进行定标，此定标超快脉冲信号是具有标准上升沿时间的超快脉冲信号，将此定标超快脉冲信号作为标准超快脉冲信号用于宽带实时示波器18上升时间的校准；

r)通过3维高精度平移台调节微波探针17，将微波探针17的GSG三根探针分别压接到光导开关8上的GSG三根电极上，压接的位置距离光导开关8正面光导缝隙1mm～2mm，与光导开关8背面入射的第二激光束的位置在垂直方向上保持一致，这样才能保证在该位置处定标的超快脉冲信号在该位置处被用作标准超快脉冲信号校准宽带实时示波器18的上升时间；

s)将微波探针17的同轴输出端连接到待校准宽带实时示波器18的通道上，对宽带实时示波器的该通道进行上升时间的校准；

综上所述装置及方法，能够产生上升时间小于2ps的超快脉冲信号，同时能对产生的超快脉冲信号进行准确的测量、定标，经过定标的超快脉冲信号可以作为标准超快脉冲信号用于宽带实时示波器上升时间的校准，实现了宽带实时示波器上升时间校准的新突破，提高了上升时间校准的准确度，且能够形成完整溯源链。

可以理解为，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于产生定标的超快脉冲信号的装置，其特征在于：该装置包括：

用于产生同步的第一微波信号和第二微波信号的微波信号发生装置；

基于第一路微波信号产生第一激光束的第一飞秒激光器；

基于第二路微波信号产生第二激光束的第二飞秒激光器；

用于将第二激光束延时的延时单元；

其背面衬底形成有电光效应材料的光导开关，第一激光束被聚焦到光导开关正面的光导缝隙处，激励光导缝隙产生光生载流子，经延时的第二激光束被聚焦入射到光导开关背面，反射出偏振态发生变化的反射光；

超快电脉冲沿光导开关传输1mm～2mm，第二激光束聚焦的位置与光导缝隙的水平距离为1mm～2mm，同时保证第二激光束聚焦位置落入超快电脉冲传输距离范围内；

用于给光导开关提供直流电压的直流电压源，光生载流子在光导开关上面的直流电压作用下产生超快脉冲信号；

平衡光学电探测器，基于接收的反射光产生电信号；和

锁相放大器，用于与延时单元的延时相应的采集平衡光电探测器输出的电信号；

计算单元，基于所采集的电信号计算超快脉冲信号的上升沿时间以对该超快脉冲信号进行定标；

与光导开关压接的微波探针，用于输出经定标的超快脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的一种用于产生定标的超快脉冲信号的装置，其特征在于：所述信号发生器包括

用于提供微波信号的微波信号源；和

用于将所微波信号分为同步的的第一微波信号和第二微波信号的功分器。

3.根据权利要求1所述的一种用于产生定标的超快脉冲信号的装置，其特征在于：所述第一飞秒激光器采用780nm型飞秒激光器，所述第二飞秒激光器采用1560nm型飞秒激光器。

4.根据权利要求1所述的一种用于产生定标的超快脉冲信号的装置，其特征在于：该装置还包括

用于为第一激光束调制的斩波器；和

用于为所述斩波器提供驱动信号和为所述锁相放大器提供与所述斩波器驱动信号同步触发的参考信号的函数发生器。

5.根据权利要求1所述的一种用于产生定标的超快脉冲信号的装置，其特征在于：该装置还包括连接在所述直流电压源和光导开关之间的直流探针，所述直流探针与光导开关压接。

6.根据权利要求1所述的一种用于产生定标的超快脉冲信号的装置，其特征在于：该装置进一步包括控制单元，用于控制延时单元的延时和锁相放大器对电信号的采集。

7.根据权利要求1所述的一种用于产生定标的超快脉冲信号的装置，其特征在于：所述微波探头与光导开关压接，所述微波探针和光导开关连接位置与第二激光束聚焦位置的垂直方向上保持一致。

8.一种用于产生定标的超快脉冲信号的方法，其特征在于：该方法包括

利用第一飞秒激光器基于第一路微波信号产生第一激光束，利用第二飞秒激光器基于第二路微波信号产生第二激光束，第一微波信号与第二微波信号同步；

将经斩波器调制后的第一激光束经聚焦后射入光导开关的光敏缝隙中产生光生载流子，并在光导开关的直流电压作用下产生超快电脉冲信号；

将第二激光束经延时和聚焦后，入射到光导开关背面的具有电光效应的衬底材料上；

超快电脉冲沿光导开关传输1mm～2mm，第二激光束聚焦的位置与光导缝隙的水平距离为1mm～2mm，同时保证第二激光束聚焦位置落入超快电脉冲传输距离范围内；

经衬底材料上反射的光束入射至平衡光电探测器中产生电信号；

锁相放大器与延时单元的延时相应的对所述电信号进行采集。

9.根据权利要求8所述的一种用于产生定标的超快脉冲信号的方法，其特征在于：该方法进一步包括将延时单元扫描整个周期内采集到的测量数据进行处理，获得上升时间被确定的超快脉冲信号。