CN115877052A - 一种超快脉冲信号产生定标装置、校准系统及标定方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种超快脉冲信号产生定标装置、校准系统及标定方法，解决了现有技术中光电转换效率低、热稳定性差的问题。一种超快脉冲信号产生定标装置，第一飞秒激光器通过第一聚焦透镜将产生的飞秒激光汇聚到光驱动太赫兹开关机构表面生成超快脉冲信号。微波探针连通光驱动太赫兹开关机构和宽带实时示波器，将光驱动太赫兹开关机构产生的超快脉冲信号输出至宽带实时示波器。磁场源，用于提供垂直于飞秒激光辐射入射方向和信号线轴向穿过太赫兹自旋开关的磁场。本申请所述装置热稳定性极为优异，可以支持长时间的稳定工作。同时，对第一飞秒激光器的激光波长没有选择性，不再需要选用特定的激光波长与偏振态，进一步简化了系统设置。

Description

一种超快脉冲信号产生定标装置、校准系统及标定方法

技术领域

本申请涉及无线电计量和测试技术领域，尤其涉及一种超快脉冲信号产生定标装置、校准系统及标定方法。

背景技术

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。为了满足上升时间约为6ps的商品型实时示波器的校准，需要提供上升时间小于2ps的标准超快脉冲信号，才能在95％置信概率下将误差控制在5％左右。传统会使用基于光电导开关的电光取样系统产生上升时间小于2ps的脉冲信号，同时对产生的超快脉冲信号进行准确的测量与定标，经过定标的超快脉冲信号就可以作为标准超快脉冲信号用于商品型实时示波器上升时间的校准。在传统的超快脉冲信号产生定标装置中，常采用光电导开关的形式产生标准超快脉冲信号，产生的标准超快脉冲信号经由共面波导结构传输至微波探针，最后再通过微波探针将信号输入至待测的实时示波器，如图1所示。然而通过光电导开关本身光电转换效率低、热稳定性差的问题会导致该系统在长期加光加电的工作状态下使本应标准稳定的超快脉冲信号出现畸变，无法准确得到待测仪器的长期稳定性，严重限制了宽带示波器校准技术的发展。

发明内容

本申请实施例提供一种超快脉冲信号产生定标装置、校准系统及标定方法，解决了现有技术中光电转换效率低、热稳定性差的问题。

本申请实施例还提供一种超快脉冲信号产生定标装置，包含第一飞秒激光器、第一聚焦透镜、光驱动太赫兹开关机构、微波探针、宽带实时示波器和磁场源。所述第一飞秒激光器通过第一聚焦透镜将产生的飞秒激光汇聚到光驱动太赫兹开关机构表面生成超快脉冲信号。所述微波探针连通光驱动太赫兹开关机构和宽带实时示波器，将光驱动太赫兹开关机构产生的超快脉冲信号输出至宽带实时示波器。所述磁场源，用于提供垂直于飞秒激光辐射入射方向和信号线轴向穿过太赫兹自旋开关的磁场。

进一步地，所述光驱动太赫兹开关机构包含太赫兹自旋开关、共面波导传输结构和基底。所述太赫兹自旋开关和共面波导传输结构设置在基底上。所述共面波导传输结构包含信号线和地线。两个所述信号线分别连接在太赫兹自旋开关的两端。两个所述地线平行于信号线轴向设置在信号线和太赫兹自旋开关两侧。所述太赫兹自旋开关为分层结构，包含铁磁层和非铁磁层。所述非铁磁层远离铁磁层一侧固定连接在基底上。

进一步地，所述磁场源包含第一磁铁和第二磁铁。所述第一磁铁和第二磁铁分别位于光驱动太赫兹开关机构两侧。

进一步地，三根所述微波探针一端分别连接信号线和地线，另一端连接宽带实时示波器。

优选地，所述铁磁层材质为CoFeB。所述非铁磁层材质为铂(Pt)。所述共面波导传输结构是贴在基底上的金(Au)层。所述基底材质为GaAs晶体。

本申请实施例还提供一种定标装置校准系统，用于上述任意一项实施例所述超快脉冲信号产生定标装置，包含第二飞秒激光器、激光分束单元、第二聚焦透镜、光学延时线和反射激光分析模块。所述第二飞秒激光器产生的飞秒激光依次穿过光学延时线、激光分束单元后通过第二聚焦透镜汇聚到光驱动太赫兹开关机构背面基底侧。所述光学延时线，用于延时第二飞秒激光器产生的激光。所述激光分束单元，用于透射第二飞秒激光器输出的飞秒激光，并反射光驱动太赫兹开关机构回送的飞秒激光至反射激光分析模块。所述反射激光分析模块，用于将接收的飞秒激光转化为电信号输出进行分析。

优选地，所述激光分束单元为平面分光镜。

进一步地，所述反射激光分析模块包含平衡光电探测器、锁相放大器和计算机。所述平衡光电探测器，用于接收从所述太赫兹自旋开关表面反射回的第二激光器产生的激光信号，并将其转换为电信号输出。所述锁相放大器，用于采集所述平衡光电探测器输出的电流信号。所述计算机，用于根据锁相放大器输出的电流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，并为所述光学延时线提供扫描控制信号。

进一步地，所述光学延时线的移动控制由所述计算机提供。

本申请实施例还提供一种超快脉冲信号标定方法，用于上述任意一项实施例所述定标装置校准系统，包含方法：

开启第一飞秒激光器，并获取宽带实时示波器信息。

开启第二飞秒激光器，计算机控制所述光学延时线每步进一次，锁相放大器进行一次数据采集，使所述光学延时线扫描一个周期。

将整个周期内采集的测量数据进行数据处理，得到超快电脉冲。

对超快电脉冲进行定标，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上升时间的校准。

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：

本发明所述技术方案优点在于使用所述太赫兹自旋开关激发小于2ps的超快脉冲信号，并通过所述太赫兹自旋开关结构实现片上超快脉冲信号传输。由于所述太赫兹自旋开关使用铁磁材料与自旋霍尔材料在太赫兹频段没有吸收，因此其热稳定性极为优异，可以支持长时间的稳定工作。同时，太赫兹自旋开关对第一飞秒激光器的激光波长没有选择性，不再需要选用特定的激光波长与偏振态，进一步简化了系统设置。

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为现有技术光电导开关实施例结构图；

图2为本申请超快脉冲信号产生定标装置实施例结构图；

图3为本申请光驱动太赫兹开关机构实施例结构图；

图4为本申请定标装置校准系统的实施例结构图；

图5为本申请超快脉冲信号标定方法实施例流程图。

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。

图1为现有技术光电导开关实施例结构图。

如图1所示，在传统的超快脉冲信号产生定标装置中，常采用光电导开关的形式产生标准超快脉冲信号，产生的标准超快脉冲信号经由共面波导结构传输至微波探针，最后再通过微波探针将信号输入至待测的实时示波器。

图2为本申请超快脉冲信号产生定标装置实施例结构图。

本申请实施例还提供一种超快脉冲信号产生定标装置，包含第一飞秒激光器1、第一聚焦透镜2、光驱动太赫兹开关机构3、微波探针4、宽带实时示波器5和磁场源6。

所述第一飞秒激光器通过第一聚焦透镜将产生的飞秒激光汇聚到光驱动太赫兹开关机构表面生成超快脉冲信号。

例如，所述第一飞秒激光器，用于为所述太赫兹自旋开关提供飞秒激光激励，在本发明实施例中选用的是780nm的飞秒激光，但由于太赫兹自旋开关对激励激光没有波长选择性，该飞秒激光器可选其他任意波长。

所述第一聚焦透镜，用于将第一飞秒激光器产生的激光聚焦到太赫兹自旋开关表面，在本发明实施例中选用的是与780nm波长激光匹配的凸透镜，焦距为5cm，聚焦点在太赫兹自旋开关的自旋响应部分表面即可。

所述微波探针连通光驱动太赫兹开关机构和宽带实时示波器，将光驱动太赫兹开关机构产生的超快脉冲信号输出至宽带实时示波器。

所述磁场源，用于提供垂直于飞秒激光辐射入射方向和信号线轴向穿过太赫兹自旋开关的磁场。

进一步地，所述磁场源包含第一磁铁61和第二磁铁62。所述第一磁铁和第二磁铁分别位于光驱动太赫兹开关机构两侧。

所述第一磁铁，用于为所述太赫兹自旋开关提供磁场，保证所述太赫兹自旋开关中的铁磁层磁化饱和，与第二磁铁成对使用。

例如，所述第一磁铁为太赫兹自旋开关提供的磁场强度为80mT。

所述第二磁铁，用于为所述太赫兹自旋开关提供磁场，保证所述太赫兹自旋开关中的铁磁层磁化饱和，与第一磁铁成对使用。

例如，所述第二磁铁为太赫兹自旋开关提供的磁场强度为80mT。

图3为本申请光驱动太赫兹开关机构实施例结构图。

进一步地，所述光驱动太赫兹开关机构包含太赫兹自旋开关31、共面波导传输结构32和基底33。所述太赫兹自旋开关和共面波导传输结构设置在基底上。所述共面波导传输结构包含信号线321和地线322。两个所述信号线分别连接在太赫兹自旋开关的两端。两个所述地线322平行于信号线轴向设置在信号线321和太赫兹自旋开关两侧。所述太赫兹自旋开关为分层结构，包含铁磁层311和非铁磁层312。所述非铁磁层远离铁磁层一侧固定连接在基底上。

所述光驱动太赫兹开关机构，用于产生超快脉冲信号，并将超快脉冲信号传输至压接在其表面上的微波探针。

进一步地，三根所述微波探针一端分别连接信号线和地线，另一端连接宽带实时示波器。

例如，所述微波探针，用于将所述太赫兹自旋开关输出的超快脉冲信号输出至待校准的宽带实时示波器，在本发明实施例中会根据待校准的宽带实时示波器选择合适带宽的微波探针，探针前端有三个探针，分别可以压接在所述太赫兹自旋开关的共面波导部分的地线、信号线与地线上，通过压接点的接触实现超快脉冲信号的传输。压接时需通过3维高精度平移台调节所述微波探针，压接位置与太赫兹自旋开关背面入射的第二飞秒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。将微波探针的同轴输出端连接到待校准的宽带实时示波器的通道上，即可实现对该通道上升时间的校准。

优选地，所述铁磁层材质为CoFeB。所述非铁磁层材质为铂(Pt)。所述共面波导传输结构是贴在基底上的金(Au)层。所述基底材质为GaAs晶体。

光驱动太赫兹开关机构由自旋响应部分与共面波导部分组成，即太赫兹自旋开关、共面波导传输结构。自旋响应部分选用厚度为5nm的CoFeB作为铁磁层，厚度为5nm的铂(Pt)作为非铁磁层。非铁磁层下方与所述太赫兹开关基底相连，上方与所述铁磁层相连，两侧与共面波导传输结构的信号线相连。铁磁层下方与所述非铁磁层相连，上方用于接收第一飞秒激光器辐射的激光，两侧与共面波导传输结构的信号线相连。这种由铁磁层与非铁磁层组成的叠片结构可在氩气超真空环境下由磁控溅射技术制备，叠片结构的整体尺寸为500μm×500μm×0.01μm(长×宽×高)。制备完成后，由所述第一磁铁与第二磁铁为太赫兹自旋开关施加横向磁场，在铁磁层磁场饱和的状态下，当第一飞秒激光被汇聚到铁磁层表面时，铁磁层中会产生超快自旋电流，自旋电流从铁磁层进入相邻的非铁磁层。由于逆自旋霍尔效应，注入非铁磁层的自旋电流部分转化为横向电荷电流，从而产生沿所述共面波导传输结构传输的超快脉冲信号。共面波导部分选用的是100nm的金(Au)层，由所述自旋部分两侧的信号线以及分布在信号线两边的地线组成。其中信号线尺寸均为1mm×0.5mm×0.1mm，地线的尺寸均为2.5mm×1mm×0.1mm。当所述太赫兹自旋开关产生超快脉冲信号后，该信号会沿着信号线传输。用于承载所述自旋响应部分与共面波导部分的基底选用的是GaAs晶体，当自旋部分产生的超快脉冲信号沿着共面波导部分传输至微波探针的压接点时，其背面的第二飞秒器所产生的第二飞秒激光就会因电光效应而产生偏振态的改变。

图4为本申请定标装置校准系统的实施例结构图。

本申请实施例还提供一种定标装置校准系统，用于上述任意一项实施例所述超快脉冲信号产生定标装置，包含第二飞秒激光器7、激光分束单元8、第5二聚焦透镜9、光学延时线10和反射激光分析模块11。

所述第二飞秒激光器产生的飞秒激光依次穿过光学延时线、激光分束单元后通过第二聚焦透镜汇聚到光驱动太赫兹开关机构背面基底侧。

所述第二飞秒激光器，用于提供电光取样所需激光。

例如，所述第二飞秒激光器选用的是波长为1550nm，该波长可与太赫兹0自旋开关中的GaAs晶体产生电光效应。当所述GaAs晶体被所述第二飞秒激光器的激光照亮时，所述GaAs表面传输的超快脉冲信号会使所述第二飞秒激光器的激光的偏振态发生改变。

所述第二聚焦透镜，用于将第二飞秒激光器产生的激光聚焦到太赫兹自旋开关背面。

5例如，所述第二聚焦透镜选用的是与1550nm波长激光匹配的凸透镜，焦距为10cm，微波探针和太赫兹自旋开关连接位置与所述第二聚焦透镜需要聚焦位置在垂直方向上保持一致。即飞秒激光在所述光驱动太赫兹开关机构基底侧的落点与微波探针的连接位置垂直于分层结构正对。

所述光学延时线，用于延时第二飞秒激光器产生的激光。

0例如，所述光学延时线采用的是行程为800mm的机械延时线，其移动控制由所述计算机提供。所述光学延时线的移动控制由所述计算机提供。

所述激光分束单元，用于透射第二飞秒激光器输出的飞秒激光，并反射光驱动太赫兹开关机构回送的飞秒激光至反射激光分析模块。优选地，所述激光分束单元为平面分光镜。

5第二飞秒激光器输出的激光，经所述激光分束单元分为两路，一路直接输入到所述平衡光电探测器(为第一路输入光)；另一路经过所述光驱动太赫兹开关机构的基底反射后，再经所述分束单元反射输入到所述平衡光电探测器(为第二路输入光)。由于所述第二路输入光在经基底反射时，所述GaAs表面传输的超快脉冲信号会使所述第二路输入光的偏振态发生改变，因此所述第二路输入光和所述第一路输入光的偏振态不同，经平衡光电探测器后产生的偏差检测信号的强度变化，即反映了GaAs表面传输的超快脉冲信号的强度变化。

所述反射激光分析模块，用于将接收的飞秒激光转化为电信号输出进行分析。

所述反射激光分析模块包含平衡光电探测器111、锁相放大器112和计算机113。

所述平衡光电探测器，用于接收从所述太赫兹自旋开关表面反射回的第二激光器产生的激光信号，并将其转换为电信号输出。

例如，所述平衡光电探测器使用的是平衡光电二极管探测器。

所述锁相放大器，用于采集所述平衡光电探测器输出的电流信号。

所述计算机，用于根据锁相放大器输出的电流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，并为所述光学延时线提供扫描控制信号。

例如，所述计算机控制所述光学延时线每步进一次，对应所述锁相放大器进行一次数据采集，使所述光学延时线扫描一个周期，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，可以得到第一飞秒激光束激励太赫兹自旋开关所产生的超快电脉冲，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上升时间的校准。

图5为本申请超快脉冲信号标定方法实施例流程图。

本申请实施例还提供一种超快脉冲信号标定方法，用于上述任意一项实施例所述定标装置校准系统，包含方法：

步骤201、开启第一飞秒激光器，并获取宽带实时示波器信息。

第一飞秒激光器开启，在光驱动太赫兹开关机构的铁磁层磁场饱和的状态下，当第一飞秒激光被汇聚到铁磁层表面时，铁磁层中会产生超快自旋电流，自旋电流从铁磁层进入相邻的非铁磁层。由于逆自旋霍尔效应，注入非铁磁层的自旋电流部分转化为横向电荷电流，从而产生沿所述共面波导传输结构传输的超快脉冲信号。微波探针将所述光驱动太赫兹开关机构输出的超快脉冲信号输出至待校准的宽带实时示波器，在宽带实时示波器上产生相应的图像。

步骤202、开启第二飞秒激光器，计算机控制所述光学延时线每步进一次，锁相放大器进行一次数据采集。

当所述光驱动太赫兹开关机构产生超快脉冲信号后，该信号会沿着信号线传输。用于承载所述自旋响应部分与共面波导部分的基底材料选用的是GaAs晶体，当自旋部分产生的超快脉冲信号沿着共面波导部分传输至微波探针的压接点时，其背面的第二飞秒器所产生的第二飞秒激光就会因电光效应而产生偏振态的改变。

步骤203、控制所述光学延时线扫描一个脉冲周期，将整个周期内采集的测量数据进行数据处理，得到超快电脉冲。

所述脉冲周期，为被检测的第一飞秒激光器输出的脉冲周期，也就是太赫兹自旋开关中的GaAs晶体表面传输的超快脉冲信号的脉冲周期。在整个脉冲周期内，例如K个采样点，所述计算机控制所述光学延时线每步进一次，对应所述锁相放大器进行一次数据采集，经过K次步进，使所述光学延时线扫描一个周期，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，可以得到第一飞秒激光束激励太赫兹自旋开关所产生的超快电脉冲。

步骤204、对超快电脉冲进行定标，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上升时间的校准。

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上升时间的校准。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦合”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。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做的任何修改、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)

1.一种超快脉冲信号产生定标装置，其特征在于，包含第一飞秒激光器、第一聚焦透镜、光驱动太赫兹开关机构、微波探针、宽带实时示波器和磁场源；

所述第一飞秒激光器通过第一聚焦透镜将产生的飞秒激光汇聚到光驱动太赫兹开关机构表面生成超快脉冲信号；

所述微波探针连通光驱动太赫兹开关机构和宽带实时示波器，将光驱动太赫兹开关机构产生的超快脉冲信号输出至宽带实时示波器；

所述磁场源，用于提供垂直于飞秒激光辐射入射方向和信号线轴向穿过太赫兹自旋开关的磁场。

2.根据权利要求1所述超快脉冲信号产生定标装置，其特征在于，所述光驱动太赫兹开关机构包含太赫兹自旋开关、共面波导传输结构和基底；

所述太赫兹自旋开关和共面波导传输结构设置在基底上；

所述共面波导传输结构包含信号线和地线；

两个所述信号线分别连接在太赫兹自旋开关的两端；

两个所述地线平行于信号线轴向设置在信号线和太赫兹自旋开关两侧；

所述太赫兹自旋开关为分层结构，包含铁磁层和非铁磁层；

所述非铁磁层远离铁磁层一侧固定连接在基底上。

3.根据权利要求1所述超快脉冲信号产生定标装置，其特征在于，所述磁场源包含第一磁铁和第二磁铁；

所述第一磁铁和第二磁铁分别位于光驱动太赫兹开关机构两侧。

4.根据权利要求2所述超快脉冲信号产生定标装置，其特征在于，三根所述微波探针一端分别连接信号线和地线，另一端连接宽带实时示波器。

5.根据权利要求2所述超快脉冲信号产生定标装置，其特征在于，所述铁磁层材质为CoFeB；

所述非铁磁层材质为铂；

所述共面波导传输结构是贴在基底上的金层；

所述基底材质为GaAs晶体。

6.一种定标装置校准系统，用于权利要求1-5任意一项所述超快脉冲信号产生定标装置，其特征在于，包含第二飞秒激光器、激光分束单元、第二聚焦透镜、光学延时线和反射激光分析模块；

所述第二飞秒激光器产生的飞秒激光依次穿过光学延时线、激光分束单元后通过第二聚焦透镜汇聚到光驱动太赫兹开关机构背面基底侧；

所述光学延时线，用于延时第二飞秒激光器产生的激光；

所述激光分束单元，用于透射第二飞秒激光器输出的飞秒激光，并反射光驱动太赫兹开关机构回送的飞秒激光至反射激光分析模块；

所述反射激光分析模块，用于将接收的飞秒激光转化为电信号输出进行分析。

7.根据权利要求6所述定标装置校准系统，其特征在于，所述激光分束单元为平面分光镜。

8.根据权利要求6所述定标装置校准系统，其特征在于，所述反射激光分析模块包含平衡光电探测器、锁相放大器和计算机；

所述平衡光电探测器，用于接收从所述太赫兹自旋开关表面反射回的第二激光器产生的激光信号，并将其转换为电信号输出；

所述锁相放大器，用于采集所述平衡光电探测器输出的电流信号；

所述计算机，用于根据锁相放大器输出的电流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，并为所述光学延时线提供扫描控制信号。

9.根据权利要求8所述定标装置校准系统，其特征在于，所述光学延时线的移动控制由所述计算机提供。

10.一种超快脉冲信号标定方法，用于权利要求6-9任意一项所述定标装置校准系统，其特征在于，包含方法：

开启第一飞秒激光器，并获取宽带实时示波器信息；

开启第二飞秒激光器，计算机控制所述光学延时线每步进一次，锁相放大器进行一次数据采集；

调节所述光学延时线扫描一个脉冲周期，将整个周期内采集的测量数据进行数据处理，得到超快电脉冲；

对超快电脉冲进行定标，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上升时间的校准。

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