CN110365403A - 一种太赫兹宽带调制信号测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种太赫兹宽带调制信号测量装置，包括：太赫兹宽带调制信号产生器、微波探针、共面波导、50Ω负载、参考时钟、功分器、重频可调飞秒激光器、飞秒激光选通器、起偏器、数据采集模块以及计算机等。本发明还公开了上述装置用于太赫兹宽带调制信号测量的方法。本发明的装置和方法，为载波频率达太赫兹频段、带宽达几十GHz的太赫兹宽带调制信号提供测量方法。

Description

一种太赫兹宽带调制信号测量装置及方法

技术领域

本发明涉及信号测量领域。更具体地，涉及一种基于异电光取样系统的太赫兹宽带调制信号的测量装置与方法。

背景技术

通信技术的飞速发展对信号的传输速率、带宽与传输容量提出了新的挑战，太赫兹宽带调制信号因具有抗噪声能力强、带宽效率高等特点，受到越来越多的重视。随着5G通信、空基骨干网的发展，宽带调制信号的载波频率已经达到了E波段(71GHz～86GHz)甚至更高，带宽也向十吉赫兹量级发展，传统的基于矢量信号分析仪的宽带调制信号测量方法已经渐渐无法满足相关需求。

因此，需要提供一种基于异步电光取样系统的太赫兹宽带调制信号测量方法，为载波频率高达太赫兹、带宽达几十吉赫兹的宽带调制信号提供新的测量方法。

发明内容

本发明提供一种基于异步电光取样原理的太赫兹宽带调制信号测量装置与方法，的一个目的在于为载波频率达太赫兹、带宽达几十吉赫兹的宽带调制信号提供测量手段。

本申请实施例提出一种太赫兹宽带调制信号测量装置，包括：

太赫兹宽带调制信号产生器1，用于提供太赫兹宽带调制信号；

共面波导，被测太赫兹宽带调制信号在其中传输时，信号电场引起衬底材料折射率的变化，探测激光经衬底输入到信号电极反射，其偏振态发生改变；

参考时钟，通过功分器为太赫兹宽带调制信号产生器、重频可调飞秒激光器、数据采集模块提供参考时钟信号；

重频可调飞秒激光器，提供飞秒激光，并输入到飞秒激光选通器输入端；

飞秒激光选通器10，用于对飞秒激光进行选通，将其重复频率降低至≤1MHz；

起偏器11，将飞秒激光选通器10输出的激光转化为线偏振光，作为探测激光；

所述探测激光，经共面波导反射后，转化为电信号；

数据采集模块，电信号进行采集，采样率为100M采样点/s，获得波形数据。

计算机，通过数据线控制飞秒脉冲激光器与数据采集模块工作，并对数据模块采集的数据进行处理。

优选地，本发明的装置还包含第一微波探针，将被测太赫兹宽带调制信号耦合到共面波导中进行传输。

优选地，本发明的装置还包含第二微波探针，将50Ω负载与共面波导连接；50Ω负载，将传输到其中的信号吸收，防止生成反射信号。

优选地，本发明的装置还包含第一功分器，将参考时钟输出的参考信号分为两路，分别输入到第二功分器及太赫兹宽带调制信号产生器的参考信号输入端；第二功分器，用于将第一功分器输入的参考信号分为两路，分别输入到重频可调飞秒激光器及数据采集模块的参考信号输入端。

优选地，本发明的装置还包含1/4波片，所述探测激光经共面波导反射后，在s、p偏振方向上引入一个90°的相位差；沃拉斯通棱镜，将1/4波片输出的飞秒激光的s、p偏振光分离为两束，输入到平衡探测器的两个输入端；平衡探测器，将s、p偏振光偏振状态的差转化为电压信号输出，该电压正比于共面波导上探测光斑位置处信号电场的强度。

优选地，本发明的装置中，所述太赫兹宽带调制信号产生器输出的待测太赫兹宽带调制信号，经微波探针耦合到共面波导中进行传输，并使用异步电光取样技术对所述太赫兹宽带调制信号进行测量。

优选地，所述参考时钟为小型铷种，其时基短期稳定度优于10^-11。

优选地，重频可调飞秒激光器重复频率为100MHz；飞秒激光选通器选通比为100：1。

本申请实施例还提出一种太赫兹宽带调制信号测量的方法，包括以下步骤：

将待测的太赫兹宽带调制信号，输入到共面波导中传输，信号的电场引起衬底材料折射率的变化，探测激光经衬底输入到信号电极反射，其偏振态发生改变；

参考时钟提供10MHz参考信号，为太赫兹宽带调制信号产生过程、重频可调飞秒激光产生过程、数据采集过程提供参考时钟信号；

对所述飞秒激光进行选通，将其重复频率降低到1MHz或以下，再转化为线偏振光，作为探测激光经共面波导衬底材料入射到共面波导信号电极上，经电极反射后的探测光分解为s、p偏振方向上并引入90°的相位差，再将s、p偏振光分离后，检测s、p偏振光偏振状态的差转化为电压信号。

优选地，本发明的方法中，若所述飞秒激光信号频率为f1，选通比为n：1，宽带调制信号的重复频率为f2，数据采样率为fs，则探测激光与被测信号的频差Δf＝|f1/n-f2|，系统的等效采样率为fe＝f2×fs/Δf，测得信号的周期为1/f2，每个周期中采样点数N＝fs/Δf。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

本方法的优点在于提供一种基于异步电光取样原理的太赫兹宽带调制信号测量装置与方法，为载波频率达太赫兹、带宽达几十吉赫兹的宽带调制信号提供测量方法。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为一种基于异步电光取样原理的太赫兹宽带调制信号测量装置示意图。

附图标记说明：

1太赫兹宽带调制信号产生器，2第一微波探针，3共面波导，4第二微波探针，5 50Ω负载，6参考时钟，7第一功分器，8第二功分器，9重频可调飞秒激光器，10飞秒激光选通器，11起偏器，12 1/4波片，13沃拉斯通棱镜，14平衡探测器，15数据采集模块，16计算机

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

一种基于异步电光取样原理的太赫兹宽带调制信号测量装置，如图1所示，包括：太赫兹宽带调制信号产生器1、第一微波探针2、共面波导3、第二微波探针4、50Ω负载5、参考时钟6、第一功分器7、第二功分器8、重频可调飞秒激光器9、飞秒激光选通器10、起偏器11、1/4波片12、沃拉斯通棱镜13、平衡探测器14、数据采集模块15、计算机16。

其中，太赫兹宽带调制信号产生器1，用于提供专利中待测的太赫兹宽带调制信号。

第一微波探针2，将被测太赫兹宽带调制信号耦合到共面波导3中进行传输。

共面波导3，被测太赫兹宽带调制信号在其中传输时，信号电场引起衬底材料折射率的变化，飞秒探测激光经衬底输入到信号电极反射，其偏振态发生改变。

第二微波探针4，将50Ω负载5与共面波导3连接。

50Ω负载5，将传输到其中的信号吸收，防止生成反射信号。

参考时钟6，通过第一功分器7、第二功分器8，为太赫兹宽带调制信号产生器1、重频可调飞秒激光器9与数据采集模块15提供参考时钟信号，优选的，本部分使用的参考时钟为小型铷种，其时基短期稳定度优于10-11。

第一功分器7，将参考时钟6输出的参考信号分为两路，分别输入到第二功分器8及太赫兹宽带调制信号产生器1的参考信号输入端。

第二功分器8，用于将第一功分器7输入的参考信号分为两路，分别输入到重频可调飞秒激光器9及数据采集模块15的参考信号输入端。

重频可调飞秒激光器9，提供异步电挂取样技术所需的飞秒探测激光，并输入到飞秒激光选通器10的输入端，优选的，本部分使用的重频可调飞秒激光器重复频率为100MHz。

飞秒激光选通器10，因目前重频可调飞秒激光器的重复频率通常在100MHz以上，仅能满足波形持续时间小于等于10ns的太赫兹宽带调制信号的测量需求，因此使用飞秒激光选通器，对飞秒激光进行选通，将其重复频率降低到1MHz甚至更小，满足波形持续时间为1μs甚至更长时太赫兹宽带调制信号的测量，优选的，本部分飞秒激光选通器选通比为100：1。

起偏器11，将飞秒激光选通器10输出的激光转化为线偏振光。

1/4波片12，在起偏器11输出光的s、p偏振方向上引入一个90°的相位差。

沃拉斯通棱镜13，将1/4波片12输出的飞秒激光的s、p偏振光分离为两束，输入到平衡探测器14的两个输入端。

平衡探测器14，将s、p偏振光偏振状态的差转化为电压信号输出，该电压正比于共面波导3上探测光斑位置处信号电场的强度。

数据采集模块15，对平衡探测器14输出的电信号进行采集，获得波形数据，优选的，本部分使用的数据采集模块采样率为100M采样点/s。

计算机16，通过数据线控制飞秒脉冲激光器9与数据采集模块15的工作状态，并对数据模块采集的数据进行相关处理。

本申请实施例还提出一种太赫兹宽带调制信号测量的方法，包括以下步骤：

将待测的太赫兹宽带调制信号，输入到共面波导中传输，信号的电场引起衬底材料折射率的变化，探测激光经衬底输入到信号电极反射，其偏振态发生改变；

参考时钟提供10MHz参考信号，为太赫兹宽带调制信号产生过程、重频可调飞秒激光产生过程、数据采集过程提供参考时钟信号；

对所述飞秒激光进行选通，将其重复频率降低到1MHz或以下，再转化为线偏振光，作为探测激光经共面波导衬底材料入射到共面波导信号电极上，经电极反射后的探测光分解为s、p偏振方向上并引入90°的相位差，再将s、p偏振光分离后，检测s、p偏振光偏振状态的差转化为电压信号。

优选地，本发明的方法中，若所述飞秒激光信号频率为f1，选通比为n：1，宽带调制信号的重复频率为f2，数据采样率为fs，则探测激光与被测信号的频差Δf＝|f1/n-f2|，系统的等效采样率为fe＝f2×fs/Δf，测得信号的周期为1/f2，每个周期中采样点数N＝fs/Δf。

例如，本发明中上述装置用于太赫兹宽带调制信号测量的方法，具体为：

a)太赫兹宽带调制信号产生器1生成待测的太赫兹宽带调制信号，输入到第一微波探针2中；

b)第一微波探针2将被测太赫兹宽带调制信号耦合到共面波导3中；

c)被测太赫兹宽带调制信号在共面波导3中传输，信号的电场引起衬底材料折射率的变化，飞秒探测光经衬底输入到信号电极反射，其偏振态发生改变；

d)第二微波探针4将50Ω负载5与共面波导3连接；

e)50Ω负载5将传输到其中的信号吸收，防止生成反射信号；

f)参考时钟6提供10MHz参考信号，并输入到第一功分器7中；

g)第一功分器7，将参考时钟6输出的参考信号分为两路，分别输入到第二功分器8及太赫兹宽带调制信号产生器1的参考信号输入端，为太赫兹宽带调制信号产生器1提供参考信号；

h)第二功分器8，用于将第一功分器7输入的参考信号分为两路，分别输入到重频可调飞秒激光器9及数据采集模块15的参考信号输入端，为重频可调飞秒激光器9与数据采集模块15提供参考时钟信号；

i)重频可调飞秒激光器9产生飞秒探测激光，输入到飞秒激光选通器10的输入端；

j)飞秒激光选通器10对飞秒激光进行选通，将其重复频率降低到1MHz甚至更小，满足波形持续时间小于等于1μs甚至更长时太赫兹宽带调制信号的测量需求，并将选通后信号输入到起偏器11中；

k)起偏器11将飞秒激光选通器10输出的激光转化为线偏振光，并经共面波导3衬底材料入射到共面波导3信号电极上，经电极反射后的探测光输入到1/4波片12中；

l)1/4波片12在起偏器11输出光的s、p偏振方向上引入一个90°的相位差，并将探测光输入到沃拉斯通棱镜13中；

m)沃拉斯通棱镜13将飞秒激光的s、p偏振光分离为两束，输入到平衡探测器14的两个输入端；

n)平衡探测器14将s、p偏振光偏振状态的差转化为电压信号输出，该电压正比于共面波导3上探测光斑位置处信号电场的强度，并将该信号输入到数据采集模块15中；

o)数据采集模块15对平衡探测器14输出的信号进行数据采集，并通过数据线传输到计算机16中；

p)计算机16通过数据线控制飞秒脉冲激光器9与数据采集模块15的工作状态，并对数据模块15采集的数据进行处理；

q)若重频可调飞秒激光器9输出的光信号频率为f1，飞秒激光选通器10的选通比为n：1，宽带调制信号的重复频率为f2，数据采集模块15的采样率为fs，则探测光与被测信号的频差Δf＝|f1/n-f2|，系统的等效采样率为fe＝f2×fs/Δf，测得信号的周期为1/f2，每个周期中采样点数N＝fs/Δf；

r)根据步骤q)中公式，可以从系统的配置情况中，恢复出信号的时间信息，结合采集的波形数据，可以完成对太赫兹宽带调制信号的时域测量。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种太赫兹宽带调制信号测量装置，其特征在于，包括：

太赫兹宽带调制信号产生器1，用于提供太赫兹宽带调制信号；

共面波导，被测太赫兹宽带调制信号在其中传输时，信号电场引起衬底材料折射率的变化，探测激光经衬底输入到信号电极反射，其偏振态发生改变；

参考时钟，通过功分器为太赫兹宽带调制信号产生器、重频可调飞秒激光器、数据采集模块提供参考时钟信号；

重频可调飞秒激光器，提供飞秒激光，并输入到飞秒激光选通器输入端；

飞秒激光选通器10，用于对飞秒激光进行选通，将其重复频率降低至≤1MHz；

起偏器11，将飞秒激光选通器10输出的激光转化为线偏振光，作为探测激光；

所述探测激光，经共面波导反射后，转化为电信号；

数据采集模块，电信号进行采集，采样率为100M采样点/s，获得波形数据；

计算机，通过数据线控制飞秒脉冲激光器与数据采集模块工作，并对数据模块采集的数据进行处理。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于，还包括：

第一微波探针，将被测太赫兹宽带调制信号耦合到共面波导中进行传输。

3.如权利要求1所述装置，其特征在于，还包括：

第二微波探针，将50Ω负载与共面波导连接；

50Ω负载，将传输到其中的信号吸收，防止生成反射信号。

4.如权利要求1所述装置，其特征在于，还包括：

第一功分器，将参考时钟输出的参考信号分为两路，分别输入到第二功分器及太赫兹宽带调制信号产生器的参考信号输入端；

第二功分器，用于将第一功分器输入的参考信号分为两路，分别输入到重频可调飞秒激光器及数据采集模块的参考信号输入端。

5.如权利要求1所述装置，其特征在于，还包括：

1/4波片，所述探测激光经共面波导反射后，在s、p偏振方向上引入一个90°的相位差；

沃拉斯通棱镜，将1/4波片输出的飞秒激光的s、p偏振光分离为两束，输入到平衡探测器的两个输入端；

平衡探测器，将s、p偏振光偏振状态的差转化为电压信号输出，该电压正比于共面波导上探测光斑位置处信号电场的强度。

6.如权利要求1所述装置，其特征在于，

所述太赫兹宽带调制信号产生器输出的待测太赫兹宽带调制信号，经微波探针耦合到共面波导中进行传输，并使用异步电光取样技术对所述太赫兹宽带调制信号进行测量。

7.如权利要求1所述装置，其特征在于，

所述参考时钟为小型铷种，其时基短期稳定度优于10^-11。

8.如权利要求1所述装置，其特征在于，

重频可调飞秒激光器重复频率为100MHz；

飞秒激光选通器选通比为100：1。

9.一种太赫兹宽带调制信号测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将待测的太赫兹宽带调制信号，输入到共面波导中传输，信号的电场引起衬底材料折射率的变化，探测激光经衬底输入到信号电极反射，其偏振态发生改变；

参考时钟提供10MHz参考信号，为太赫兹宽带调制信号产生过程、重频可调飞秒激光产生过程、数据采集过程提供参考时钟信号；

对所述飞秒激光进行选通，将其重复频率降低到1MHz或以下，再转化为线偏振光，作为探测激光经共面波导衬底材料入射到共面波导信号电极上，经电极反射后的探测光分解为s、p偏振方向上并引入90°的相位差，再将s、p偏振光分离后，检测s、p偏振光偏振状态的差转化为电压信号。

10.如权利要求9所述方法，其特征在于，包含以下步骤：

若所述飞秒激光信号频率为f1，选通比为n：1，宽带调制信号的重复频率为f2，数据采样率为fs，则探测激光与被测信号的频差Δf＝|f1/n-f2|，系统的等效采样率为fe＝f2×fs/Δf，测得信号的周期为1/f2，每个周期中采样点数N＝fs/Δf。