CN117311021A - 一种全光纤化电光取样探头、取样模块及测试系统 - Google Patents

一种全光纤化电光取样探头、取样模块及测试系统 Download PDF

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龚鹏伟
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Abstract

本申请公开了一种全光纤化电光取样探头、取样模块及测量系统，解决了现有技术体积大，抗干扰能力差的问题。电光取样探头，包含：所述保偏单模光纤输入端，用于接收采样光并传输至电光晶体。所述输入光准直器，设置在保偏单模光纤输入端和电光晶体之间，用于将采样光整形为平行光束。所述电光晶体，用于对采样光进行电光作用后发送至电光晶体高反介质膜面。所述电光晶体高反介质膜面，用于接收并逆转采样光，使采样光原路返回从保偏单模光纤输入端离开。本申请具有测试频带广、抗电磁干扰能力强、系统调试简单、稳定性强等优点，技术优势明显。

Description

一种全光纤化电光取样探头、取样模块及测试系统
技术领域
本申请涉及光电仪器测量技术领域，尤其涉及一种全光纤化电光取样探头、取样模块及测试系统。
背景技术
超快脉冲技术在物质检测、成像安全、无损探伤、超宽带无线通信、材料电磁参数测量、计量校准、空间探测、雷达和武器装备等民用和军用领域的广阔的应用有效推动了超快脉冲参数测量技术的飞速发展。
众所周知，相比于采用电学探针和二极管检波器的电学测量手段，基于电光取样技术的脉冲参数测量技术具有更宽的带宽范围和更高的测量灵敏度。但目前传统的电光采样系统普遍以空间光传输为主，光耦合效率低，空间位置固定，占有面积大，并且调试步骤繁琐，易受环境干扰，具有极大的不稳定性和局限性。
因此，迫切的需要一种宽频带、小体积、抗干扰能力强的光纤型电光取样模块，以实现对超快脉冲信号的高保真实时在线测量。
发明内容
本申请实施例提供一种全光纤化电光取样探头、取样模块及测试系统，解决了现有技术体积大，抗干扰能力差的问题。
第一方面，本申请实施例还提供一种电光取样探头，包含保偏单模光纤输入端、输入光准直器、电光晶体和电光晶体高反介质膜面。所述保偏单模光纤输入端，用于接收采样光并传输至电光晶体。所述输入光准直器，设置在保偏单模光纤输入端和电光晶体之间，用于将采样光整形为平行光束。所述电光晶体，用于对采样光进行电光作用后发送至电光晶体高反介质膜面。所述电光晶体高反介质膜面，用于接收并逆转采样光，使采样光原路返回从保偏单模光纤输入端离开。
在其中一个实施例中，还包含1/4波片和毛细套管。所述1/4波片，用于转换采样光的偏振态。所述毛细套管，用于套设封装所有元件。
在其中一个实施例中，保偏单模光纤输入端快慢轴、1/4波片快慢轴和电光晶体的感应光轴平行。
在其中一个实施例中，所述保偏单模光纤输入端尾端插纤切割为斜8°，且与输入光准直器的间距为输入光准直器的焦距。
第二方面，本申请实施例还提供一种全光纤化电光取样模块，包含如第一方面任意一项实施例所述电光取样探头，还包含保偏光纤环形器和偏振分束器。所述保偏光纤环形器，包含输入端、第一输出端和第二输出端；所述输入端用于接收采样光并发送至两个输出端；所述第一输出端和第二输出端分别连接电光取样探头和偏振分束器。所述电光取样探头，用于接收保偏光纤环形器发送的采样光经过电光作用后反射回保偏光纤环形器。所述偏振分束器，用于接收经过电光作用的采样光并分离成偏振方向正交的两束光。
在其中一个实施例中，还包含光纤偏振控制环器和平衡光电探测器。所述光纤偏振控制环器，用于调节采样光的偏振态和偏振方向，使其与电光晶体的光轴呈45°。所述平衡光探测器，用于将偏振分束器发送的偏振光转化为电流信号。
第三方面，本申请实施例还提供一种同步采样测量系统，包含如第二方面任意一项实施例所述全光纤化电光取样模块，还包含第一飞秒激光器、光纤分束器、超快脉冲发生器、光纤延迟线。所述第一飞秒激光器，用于输出采样光至光纤分束器；
所述光纤分束器，用于将采样光分为两束，一束发送至超快脉冲发生器，一束经过光纤延迟线，发送至全光纤化电光取样模块。采样光激励所述超快脉冲发生器，产生超快脉冲信号。所述光纤延迟线，用于改变两束采样光的相对延时。所述电光取样探头设置在超快脉冲发生器附近，电光芯片用超快脉冲信号对采样光进行电光作用。
优选地，还包含数据采集与分析模块，用于将平衡光电探测器输出的电流信号转化为波形数据。
第四方面，本申请实施例还提供一种异步采样测量系统，包含如第二方面任意一项实施例所述全光纤化电光取样模块，还包含第一飞秒激光器、第二飞秒激光器和超快脉冲发生器。所述第一飞秒激光器，用于输出采样光至全光纤化电光取样模块。所述第二飞秒激光器，用于输出测试激光至超快脉冲发生器。所述采样光和测试激光的重复频率差为Δfrep。所述电光取样探头设置在超快脉冲发生器附近，电光芯片用超快脉冲信号对采样光进行电光作用。
优选地，还包含数据采集与分析模块，用于将平衡光电探测器输出的电流信号转化为波形数据。
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：
本申请具有测试频带广、抗电磁干扰能力强、系统调试简单、稳定性强等优点，技术优势明显。
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为本申请实施例一种电光取样探头结构图；
图2为本申请实施例一种全光纤化电光取样模块结构示意图；
图3为本申请实施例一种同步采样测量系统结构示意图；
图4为本申请实施例一种异步采样测量系统结构示意图；
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为本申请实施例一种电光取样探头结构图。
第一方面，本申请实施例还提供一种电光取样探头1，包含保偏单模光纤输入端11、输入光准直器12、电光晶体13和电光晶体高反介质膜面14。
所述保偏单模光纤输入端，用于接收采样光并传输至电光晶体。
例如，在其中一个实施例中，所述保偏单模光纤输入端尾端插纤切割为斜8°，且与输入光准直器的间距为输入光准直器的焦距。
为有效防止传输过程中端面反射所引起的光损耗，保偏单模光纤输入端尾端插纤切割为斜8°，并保持与光输入光准直器之间的距离与光输入光准直器焦距一致。
所述输入光准直器，设置在保偏单模光纤输入端和电光晶体之间，用于将采样光整形为平行光束。
所述电光晶体，用于对采样光进行电光作用后传输至电光晶体高反介质膜面。
所述电光晶体高反介质膜面，用于接收并逆转采样光，使采样光原路返回从保偏单模光纤输入端离开。
在其中一个实施例中，还包含1/4波片15和毛细套管16。
所述1/4波片，用于转换采样的偏振态。
例如，1/4波片内径以及矩形电光晶体对脚角线长度不超过1.8mm。
例如，所述毛细套管内径约1.8mm，起到封装和固定元件的作用。
再例如，所述保偏单模光纤尾纤端面位于输入光准直器的焦点处，1/4波片和电光晶体位于光输入准直器后端，并尽量保持靠近。
所述毛细套管，用于套设封装所有元件。
例如，所有元件其固化在毛细套管内部，可选外径约1.8mm的圆形自聚焦GRIN透镜，采样光经输入光准直器后整形为平行光束，并且为提高耦合效率，可在其端面蒸镀增透膜。
输入光准直器优选圆形自聚焦GRIN透镜，并且为提高耦合效率，可在其端面蒸镀增透膜，最后探测激光经输入光准直器后可整形为平行光束。
整形后的平行光束经过1/4波片后透过电光晶体，由电光晶体背面所蒸镀的高反介质膜反射实现光束可逆。
微型电光取样探头中保偏光纤快慢轴、1/4波片的快慢轴与电光晶体的感应光轴呈平行状态，所有元件通过紫外固化胶固化粘接，并平行放置于在内径约1.8mm的毛细套管中。并且为满足不同测试环境，本微型电光取样探头3中保偏单模光纤输入端的长度优选为1m～15m。
所述电光晶体的晶体双面抛光，单面蒸镀0入射高反介质膜，镀有高反膜的背面与1/4波片相连。晶体材料可为GaAs，LiNbO3，LiTaO3，ZnTe等具有线性电光效应的单轴晶体，切向通常为x切，横截面尺寸优选为1.4mm×1.4mm，厚度根据测试系统带宽技术指标确定，并满足公式：
式中f为测试频率上限，c为真空中的光速，n为电光晶体材料折射率。可以看到，测试系统带宽与电光晶体厚度成反比。
式中为测试频率上限，为真空中的光速，为电光晶体材料折射率。可以看到，测试系统带宽与电光晶体厚度成反比。
图2为本申请实施例一种全光纤化电光取样模块结构示意图。
第二方面，本申请实施例还提供一种全光纤化电光取样模块，用于测量超快脉冲产生的波形参数，包含如第一方面任意一项实施例所述电光取样探头1，还包含保偏光纤环形器2和偏振分束器3。
所述保偏光纤环形器，包含输入端、第一输出端和第二输出端。
所述输入端用于接收采样光并发送至两个输出端。
所述第一输出端和第二输出端分别连接电光取样探头和偏振分束器。
所述电光取样探头，用于接收保偏光纤环形器发送的采样光经过电光作用后反射回保偏光纤环形器。所述偏振分束器，用于接收经过电光作用的采样光并分离成偏振方向正交的两束光。
在其中一个实施例中，还包含光纤偏振控制环器4和平衡光电探测器5。
所述光纤偏振控制环器，用于调节采样光的偏振态和偏振方向，使其与电光晶体的光轴呈特定夹角，例如，呈45°。所述平衡光探测器，用于将偏振分束器发送的偏振光转化为电流信号。
例如，其中光纤偏振控制环器包括带保偏光纤的U-Bench固定台、1/2波片和旋转线偏振模块三个部分，1/2波片和旋转线偏振模块平行固定在U-Bench上，主要用于调节采样光的偏振态和偏振方向，使其与电光晶体的光轴成特定夹角。保偏光纤环形器一端与自反射式的微型电光取样探头相连，一端与偏振分束器相连，将通过电光作用后反射回来的采样光分离成偏振方向正交的两束光，接入平衡光电探测器。
在其中一个实施例中，所述保偏光纤环形器内传输脉冲采样光中心波长为1550nm，脉冲宽度飞秒量级。
图3为本申请实施例一种同步采样测量系统结构示意图。
第三方面，本申请实施例还提供一种同步采样测量系统，包含如第二方面任意一项实施例所述全光纤化电光取样模块，还包含第一飞秒激光器6、光纤分束器、超快脉冲发生器7、光纤延迟线8。所述第一飞秒激光器，用于输出采样光至光纤分束器；
所述光纤分束器，用于将采样光分为两束，一束发送至超快脉冲发生器，一束经过光纤延迟线，发送至全光纤化电光取样模块。
采样光激励所述超快脉冲发生器，产生超快脉冲信号。
所述光纤延迟线，用于改变两束采样光的相对延时。
例如，通过延迟进入全光纤化电光取样模块的采样光，实现两束采样光的相对延时。
所述电光取样探头设置在超快脉冲发生器附近，电光芯片用超快脉冲信号对采样光进行电光作用。
优选地，还包含数据采集与分析模块9，用于将平衡光电探测器输出的电流信号转化为波形数据。
例如，如图3所示，中心波长1550nm，脉冲宽度为100fs，重复频率为100MHz的第一飞秒激光器6输出光通过光纤分束器(图中未示出)后分为两束，其中一束激励光用于激励超快脉冲发生器7以产生超快电脉冲信号；另一束采样光经光纤延迟线8后接入光纤偏振控制环器4，将其转换为线偏振光后与保偏光纤环形器2的port1相连。保偏光纤环形器的port2端连接电光取样探头1，并且为实现超宽带的脉冲信号参数测量，该电光取样探头中电光晶体采用x-切薄膜化的LiTaO3，厚度约为20μm，整个电光取样探头长度约1m，可较为方便的将其固定在超快脉冲发生器7传输线上方中心位置。经过电光取样探头1的采样光反射回保偏光纤环形器2，再由保偏光纤环形器2的port3端输出接入偏振分束器3，从而将偏振态发生变化的采样光分解为s偏振光和p偏振光，并接入平衡光电探测器5转换为电流信号，最后通过数据采集与分析模块9转换为波形数据，实现被测超快脉冲信号的波形参数的实时在线测量。
图4本申请实施例一种异步采样测量系统结构示意图。
第四方面，本申请实施例还提供一种异步采样测量系统，包含如第二方面任意一项实施例所述全光纤化电光取样模块，还包含第一飞秒激光器6、第二飞秒激光器10和超快脉冲发生器7。
所述第一飞秒激光器，用于输出采样光至全光纤化电光取样模块。
所述第一飞秒激光器，用于输出重复频率为frep的采样光至全光纤化电光取样模块。
所述第二飞秒激光器，用于输出测试激光至超快脉冲发生器。
例如，所述第二飞秒激光器，用于输出重复频率为frep+Δfrep的测试激光至超快脉冲发生器。
所述采样光和测试激光的重复频率差为Δfrep。
例如，所述采样光和测试激光的微小重复频率差Δfrep与系统采样步长相关。
进一步地，例如，所述采样光和激励光相差的重复频率Δfrep为1kHz。
所述电光取样探头设置在超快脉冲发生器附近，电光芯片用超快脉冲信号对采样光进行电光作用。
所述电光取样探头设置在超快脉冲发生器附近，电光芯片用超快脉冲信号对采样光进行电光作用。
优选地，还包含数据采集与分析模块，用于将平衡光电探测器输出的电流信号转化为波形数据。
例如，如图4所示，中心波长1550nm，脉冲宽度为100fs，重复频率为100MHz+1kHz的第二飞秒激光器10输出光接入超快脉冲发生器7以激励产生高速脉冲电信号；另一台中心波长1550nm，脉冲宽度为100fs，重复频率为100MHz的第一飞秒激光器6输出光接入光纤偏振控制环器4，将其转换为线偏振光后与保偏光纤环形器2的port1相连。保偏光纤环形器2的port2端连接电光取样探头1，并且为实现超宽带的脉冲信号参数测量，该电光取样探头中电光晶体采用[100]切向的GaAs，厚度约为80μm，整个微型探头长度约1m，可较为方便的将其固定在超快脉冲发生器7传输线上方中心位置。经过电光取样探头1的采样光反射回保偏光纤环形器2，再由保偏光纤环形器2的port3端输出接入偏振分束器3，从而将偏振态发生变化的采样光分解为s偏振光和p偏振光，并接入平衡光电探测器5转换为电流信号，最后通过数据采集与分析模块9转换为波形数据，实现被测超快脉冲信号的波形参数的实时在线测量。
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)

1.一种电光取样探头，其特征在于，包含保偏单模光纤输入端、输入光准直器、电光晶体和电光晶体高反介质膜面；
所述保偏单模光纤输入端，用于接收采样光并传输至电光晶体；
所述输入光准直器，设置在保偏单模光纤输入端和电光晶体之间，用于将采样光整形为平行光束；
所述电光晶体，用于对采样光进行电光作用后传输至电光晶体高反介质膜面；
所述电光晶体高反介质膜面，用于接收并逆转采样光，使采样光原路返回从保偏单模光纤输入端离开。
2.根据权利要求1所述电光取样探头，其特征在于，还包含1/4波片和毛细套管；
所述1/4波片，用于实现采样光的偏振态转换；
所述毛细套管，用于套设封装所有元件。
3.根据权利要求1所述电光取样探头，其特征在于，保偏单模光纤输入端快慢轴、1/4波片快慢轴和电光晶体的感应光轴平行。
4.根据权利要求1所述电光取样探头，其特征在于，所述保偏单模光纤输入端尾端插纤切割为斜8°，且与输入光准直器的间距为输入光准直器的焦距。
5.一种全光纤化电光取样模块，其特征在于，包含如权利要求1-4任意一项所述电光取样探头，还包含保偏光纤环形器和偏振分束器；
所述保偏光纤环形器，包含输入端、第一输出端和第二输出端；所述输入端用于接收采样光并发送至两个输出端；所述第一输出端和第二输出端分别连接电光取样探头和偏振分束器；
所述电光取样探头，用于接收保偏光纤环形器发送的采样光经过电光作用后反射回保偏光纤环形器；
所述偏振分束器，用于接收经过电光作用的采样光并分离成偏振方向正交的两束光。
6.根据权利要求5所述全光纤化电光取样模块，其特征在于，还包含光纤偏振控制环器和平衡光电探测器；
所述光纤偏振控制环器，用于调节采样光的偏振态和偏振方向，使其与电光晶体的光轴呈45°；
所述平衡光探测器，用于将偏振分束器发送的偏振光转化为电流信号。
7.一种同步采样测量系统，其特征在于，包含权利要求5或6所述全光纤化电光取样模块，还包含第一飞秒激光器、光纤分束器、超快脉冲发生器、光纤延迟线；
所述第一飞秒激光器，用于输出采样光至光纤分束器；
所述光纤分束器，用于将采样光分为两束，一束发送至超快脉冲发生器，一束经过光纤延迟线，发送至全光纤化电光取样模块；
采样光激励所述超快脉冲发生器，产生超快脉冲信号；
所述光纤延迟线，用于改变两束采样光的相对延时；
所述电光取样探头设置在超快脉冲发生器附近，电光芯片用超快脉冲信号对采样光进行电光作用。
8.根据权利要求7所述同步采样测量系统，其特征在于，还包含数据采集与分析模块，用于将平衡光电探测器输出的电流信号转化为波形数据。
9.一种异步采样测量系统，其特征在于，包含权利要求5或6所述全光纤化电光取样模块，还包含第一飞秒激光器、第二飞秒激光器和超快脉冲发生器；
所述第一飞秒激光器，用于输出采样光至全光纤化电光取样模块；
所述第二飞秒激光器，用于输出测试激光至超快脉冲发生器；
所述采样光和测试激光的微小重复频率差为Δfrep；
所述电光取样探头设置在超快脉冲发生器附近，电光芯片用超快脉冲信号对采样光进行电光作用。
10.根据权利要求9所述异步采样测量系统，其特征在于，还包含数据采集与分析模块，用于将平衡光电探测器输出的电流信号转化为波形数据。
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