CN112763083A - 一种皮秒级脉冲产生器波形参数测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种皮秒级脉冲产生器波形参数测量装置及方法,包括微波信号源、数据采集与分析模块和匹配终端,微波信号源的信号输出端和数据采集与分析模块连接,微波信号源的10MHz参考信号输出端依次通过功分器、超快脉冲产生器、适配器、电光采样探头与匹配终端相连;功分器通过激光器重复频率锁定模块连接有飞秒激光器,飞秒激光器的光输出端输出的空间飞秒激光激励放置于电光采样探头的缝隙中;电光采样探头的信号输出端通过偏振光分束器、平衡光电探测器、电流放大器与数据采集与分析模块相连。采用本发明提供的测量装置和方法,有效地解决了目前商品型示波器无法满足脉冲半幅度宽度日益减小的皮秒级脉冲波形测量需求的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种脉冲信号波形参数的测量装置和方法,尤其涉及一种皮秒级脉冲产生器波形参数测量装置及方法。
背景技术
脉冲技术无论在军用还是民用领域其应用都非常广泛。军用领域的卫星通信、空间数据链通信、武器型号通信和信息对抗等技术基本都以脉冲技术为基础,目标定位雷达、导航雷达、警戒雷达和气象雷达等军用民用雷达也大量使用脉冲方式工作。在民用领域,移动通信和光通信等数据通信设备,以及各类数码产品都与脉冲技术密切相关。随着信息和通信技术的高速发展,产生和传输的脉冲信号的宽度越来越窄,已经达到皮秒级。
为了推动皮秒级脉冲的快速发展和应用,对其测量技术提出了新的需求,要求测量设备具有更宽的带宽、更快的瞬态响应时间,才能准确测量超快脉冲信号,才能对其特性参数进行深入分析研究。为了满足超快脉冲信号的测量需求,出现了宽带数字实时示波器、宽带数字取样示波器等具有超快脉冲信号波形测量和分析功能的仪器。这种测量装置的瓶颈在于数字示波器的带宽和上升时间,以及仅仅对同轴系统传输的信号具有较高测量能力。
目前,基于纯微波电子学技术的脉冲波形参数测量能力受限于带宽最宽的110GHz示波器,只能对半幅度宽度较宽的脉冲信号进行准确测量,而且宽带数字示波器几乎被国外垄断,价格十分昂贵。另外,随着皮秒级电脉冲产生技术的发展,利用光电技术能够产生脉宽更窄、幅度更高的超快电脉冲,但是这样的脉冲信号一般都在平面结构的器件中传输,才能更好的保证其信号特性,基于纯微波电子学的脉冲测量技术已经无法满足共面传输的皮秒级脉冲信号波形参数的测量需求,所以必须探索和研究新的方法进行皮秒级脉冲波形参数的测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种皮秒级脉冲产生器波形参数测量装置,解决目前商品型示波器无法满足脉冲半幅度宽度日益减小的皮秒级脉冲波形测量需求的问题。
本发明的另一目的在于提供一种采用上述皮秒级脉冲产生器波形参数测量装置对超快脉冲产生器波形参数进行测量的方法。
为了实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
本发明是一种皮秒级脉冲产生器波形参数测量装置,其特点是,该装置包括微波信号源、数据采集与分析模块和匹配终端,微波信号源的信号输出端和数据采集与分析模块的参考信号输入端连接,微波信号源的10MHz参考信号输出端依次通过功分器、超快脉冲产生器、适配器、电光采样探头与匹配终端相连;
功分器的信号输出端通过激光器重复频率锁定模块连接有飞秒激光器,飞秒激光器的光输出端输出的空间飞秒激光激励放置于电光采样探头的缝隙中;电光采样探头的信号输出端通过偏振光分束器、平衡光电探测器、电流放大器与数据采集与分析模块相连。
优选地,该装置还设有共面波导,电光采样探头的缝隙距离共面波导表面的距离为5μm~10μm。
优选地,所述超快脉冲产生器的重复频率为f1,飞秒激光器的飞秒脉冲激光的重复频率f2由重复频率锁定模块控制在f1±1kHz范围内可调。
优选地,所述激光器重复频率锁定模块控制飞秒激光器与超快脉冲产生器输出脉冲信号重复频率差固定为Δf=f2–f1。
优选地,所述匹配终端选用50欧姆的匹配负载。
优选地,所述数据采集与分析模块的采样率大于200MS/s,数据量化位数大于14bit。
本发明还提供了一种采用上述皮秒级脉冲产生器波形参数测量装置对超快脉冲产生器波形参数进行测量的方法,其特征在于:该方法为,
微波信号源通过功分器为超快脉冲产生器和激光器重复频率锁定模块提供10MHz参考信号,使两者同步工作;
超快脉冲产生器通过同轴到共面的适配器将同轴传输的信号耦合到电光采样探头上的共面波导中传输,使得电光采样探头背面的衬底材料的折射率发生变化;
激光器重复频率锁定模块锁定控制飞秒激光器输出飞秒脉冲激光的重复频率,使得飞秒激光器输出光脉冲信号的重复频率固定,飞秒激光器输出的重复频率锁定的空间飞秒脉冲激光作为采样光信号穿过电光采样探头背面的电光衬底材料,在衬底材料中发生电光效应,使得采样光信号的偏振态发生变化;
偏振态发生变化后的采样光信号通过偏振光分束器将采样光信号分解为s偏振光和p偏振光;
利用平衡光电探测器将经偏振分束器分解后的采样光信号转换成电流信号,通过电流放大器放大平衡光电探测器输出的光电流信号并将电流信号转换为电压信号输出,输出的电压信号经数据采集与分析模块转换为数字波形数据,并对采集到的波形数据进行处理分析,获得被测超快脉冲信号波形。
与现有技术相比,采用本发明提供的测量装置和方法,可以解决目前商品型示波器无法满足脉冲半幅度宽度日益减小的皮秒级脉冲波形测量需求的问题,特别是共面传输的皮秒级脉冲信号波形参数的测量。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本发明的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为本发明所述测量装置的系统框图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
参照图1,一种皮秒级脉冲产生器波形参数测量装置,包括微波信号源、功分器、超快脉冲产生器、适配器、电光采样探头、匹配终端、激光器重复频率锁定模块、飞秒激光器、偏振光分束器、平衡光电探测器、电流放大器和数据采集与分析模块,电光采样探头上设有共面波导。
其中,微波信号源的信号输出端和数据采集与分析模块的参考信号输入端通过电缆连接,微波信号源的10MHz参考信号输出端和功分器的信号输入端通过电缆连接,功分器的两个信号输出端分别与超快脉冲产生器的参考信号输入端和激光器重复频率锁定模块的参考信号输入端通过电缆连接,超快脉冲产生器的信号输出端和适配器的信号输入端通过电缆连接,适配器的信号输出端和电光采样探头上的共面波导连接,电光采样探头的输出端与匹配终端连接,激光器重复频率锁定模块的输出端和飞秒激光器的重复频率锁定输入端通过电缆与光纤连接,飞秒激光器的光输出端输出的空间飞秒激光穿过电光采样探头的电光衬底材料后输入偏振光分束器,经过偏振光分束器后的空间飞秒激光信号输入平衡光电探测器的光输入端,平衡光电探测器的输出端与电流放大器的信号输入端通过电缆连接,电流放大器的信号输出端和数据采集与分析模块的信号输入端通过电缆连接。
超快脉冲产生器,用于产生被测的超快脉冲信号,其重复频率为f1;
飞秒激光器,用于产生飞秒脉冲激光作为采样光,产生的飞秒脉冲激光通过空间传播的方式穿过电光采样探头背面的衬底材料;
激光器重复频率锁定模块,用于锁定控制飞秒激光器输出飞秒脉冲激光的重复频率,使得激光器输出光脉冲信号的重复频率固定;飞秒脉冲激光的重复频率f2应该可以由激光器重复频率锁定模块控制在f1±1kHz范围内可调;激光重复频率锁定模块控制飞秒激光器与超快脉冲产生器输出脉冲信号重复频率差固定为Δf=f2–f1;
微波信号源,用于产生飞秒激光器输出信号与超快脉冲产生器输出信号重复频率的差频信号,产生的差频信号通过电缆传输至数据采集与分析模块的参考信号输入端,微波信号源的10MHz参考信号输出端用于产生10MHz的参考信号,通过电缆传输至功分器;
微波信号源信号输出端输出重复频率为Δf的方波电压信号;
功分器,用于将微波信号源输出的10MHz参考信号分为两路,通过电缆分别传输至超快脉冲产生器和激光器重复频率锁定模块的参考信号输入端;
适配器,用于同轴传输到平面传输的转换,将超快脉冲产生器同轴输出的超快脉冲信号耦合到电光采样探头上的共面波导中传输;
电光采样探头,其上的共面波导用于平面传输耦合器输出的超快脉冲信号,其背面的电光衬底材料作为电光效应的媒介,用于透射飞秒激光器产生的飞秒脉冲激光,以异步采样的方式测量共面波导中传输的超快脉冲信号;
匹配终端,用于实现电光采样探头终端的阻抗匹配,降低不匹配所造成的信号反射;匹配终端选用50欧姆的匹配负载;
偏振光分束器,用于将从电光采样探头衬底材料上透射的飞秒脉冲激光分解为s偏振光和p偏振光;由于自然相移的作用,使得在没有外加电场时,线偏振采样光经电光采样探头后变为了椭圆偏振光。因此,为了使经电光采样探头后的采样光仍是线偏振光,可以在电光采样探头和偏振光分束器之间加入偏振光补偿器将电光采样探头引入的自然相移补偿掉;
平衡光电探测器,用于将经偏振分束器分解后的飞秒脉冲激光信号转换成电流信号,电流大小与飞秒激光光强成正比;
电流放大器,用于放大平衡光电探测器输出的光电流信号并将电流信号转换为电压信号输出,输出的电压信号通过电缆传输至数据采集与分析模块;
数据采集与分析模块,用于将电流放大器输出的模拟电压信号转换为数字波形数据,并对采集到的波形数据进行处理分析,获得被测皮秒级脉冲信号波形参数;数据采集与分析模块内设的数据采集器采样率大于200MS/s,数据量化位数大于14bit,数据采集器触发通道接收微波信号源产生的方波信号,数据输入通道接收电流放大器放大后的电压信号。
采用上述的测量装置对超快脉冲产生器波形参数进行测量的方法为:
首先微波信号源通过功分器为超快脉冲产生器和激光器重复频率锁定模块提供10MHz参考信号,使两者同步工作,以保证初始信号特性的一致性,避免后面设备对信号的干扰而影响信号的传输效率;
超快脉冲产生器通过同轴到共面的适配器可以将同轴传输的信号耦合到电光采样探头上的共面波导中传输,使得电光采样探头背面的衬底材料的折射率发生变化;
飞秒激光器输出的重复频率锁定的空间飞秒脉冲激光作为采样光信号穿过电光采样探头背面的电光衬底材料,在衬底材料中发生电光效应,使得采样光信号的偏振态发生变化,之后通过偏振光分束器将采样光信号分解为s偏振光和p偏振光;
利用平衡光电探测器将经偏振分束器分解后的采样光信号转换成电流信号,因为产生的光生电流非常微弱,使用电流放大器对其进行放大;
最后,利用数据采集与分析模块将电流放大器输出的模拟电压信号转换为数字波形数据,并对采集到的波形数据进行处理分析,获得被测超快脉冲信号波形;
上述数字波形数据中的一组由数据采集与分析模块直接从微波信号源处取得,不受测量装置的限制,不存在信号失真或干扰的情况;另一组数据虽然经过多个部件的传输才到达电光采样探头的共面波导处,但电光采样探头还获得了与适配器传输来的信号特性一致的飞秒激光器输出的信号,两路信号在电光采样探头处进行偏振状态的对比、分析,保证了微波信号的传输效率,在脉冲半幅度宽度日益减小或产生脉宽更窄、幅度更高的超快电脉冲的情况下,有上述三路信号的准确测量,也能更好的保证其信号特性,进而满足皮秒级脉冲波形的测量精度和测量需求。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种皮秒级脉冲产生器波形参数测量装置,其特征在于:该装置包括微波信号源、数据采集与分析模块和匹配终端,微波信号源的信号输出端和数据采集与分析模块的参考信号输入端连接,微波信号源的10MHz参考信号输出端依次通过功分器、超快脉冲产生器、适配器、电光采样探头与匹配终端相连;
功分器的信号输出端通过激光器重复频率锁定模块连接有飞秒激光器,飞秒激光器的光输出端输出的空间飞秒激光激励放置于电光采样探头的缝隙中;电光采样探头的信号输出端通过偏振光分束器、平衡光电探测器、电流放大器与数据采集与分析模块相连。
2.根据权利要求1所述的皮秒级脉冲产生器波形参数测量装置,其特征在于:该装置还设有共面波导,电光采样探头的缝隙距离共面波导表面的距离为5μm~10μm。
3.根据权利要求1所述的皮秒级脉冲产生器波形参数测量装置,其特征在于:所述超快脉冲产生器的重复频率为f1,飞秒激光器的飞秒脉冲激光的重复频率f2由激光器重复频率锁定模块控制在f1±1kHz范围内可调。
4.根据权利要求3所述的皮秒级脉冲产生器波形参数测量装置,其特征在于:所述激光器重复频率锁定模块控制飞秒激光器与超快脉冲产生器输出脉冲信号重复频率差固定为Δf=f2–f1。
5.根据权利要求1所述的皮秒级脉冲产生器波形参数测量装置,其特征在于:所述匹配终端选用50欧姆的匹配负载。
6.根据权利要求1所述的皮秒级脉冲产生器波形参数测量装置,其特征在于:所述数据采集与分析模块的采样率大于200MS/s,数据量化位数大于14bit。
7.一种采用权利要求1-6任一项所述皮秒级脉冲产生器波形参数测量装置对超快脉冲产生器波形参数进行测量的方法,其特征在于:该方法为,
微波信号源通过功分器为超快脉冲产生器和激光器重复频率锁定模块提供10MHz参考信号,使两者同步工作;
超快脉冲产生器通过同轴到共面的适配器将同轴传输的信号耦合到电光采样探头上的共面波导中传输,使得电光采样探头背面的衬底材料的折射率发生变化;
激光器重复频率锁定模块锁定控制飞秒激光器输出飞秒脉冲激光的重复频率,使得飞秒激光器输出光脉冲信号的重复频率固定,飞秒激光器输出的重复频率锁定的空间飞秒脉冲激光作为采样光信号穿过电光采样探头背面的电光衬底材料,在衬底材料中发生电光效应,使得采样光信号的偏振态发生变化;
偏振态发生变化后的采样光信号通过偏振光分束器将采样光信号分解为s偏振光和p偏振光;
利用平衡光电探测器将经偏振分束器分解后的采样光信号转换成电流信号,通过电流放大器放大平衡光电探测器输出的光电流信号并将电流信号转换为电压信号输出,输出的电压信号经数据采集与分析模块转换为数字波形数据,并对采集到的波形数据进行处理分析,获得被测超快脉冲信号波形。
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GR01 | Patent grant | ||
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