CN204461621U - 超快脉冲波形时域测量系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种超快脉冲波形时域测量系统，涉及时域测量技术领域，所述系统包括：光纤激光器、分光器、高速光电探测器、斩波器、电光调制器、可变延时线、偏振态调节装置、补偿器、偏振分光器、差分器和锁相放大器。本实用新型通过各部件的配合，实现了超快时域脉冲波形的测量，提高了高速光电探测器时间响应参数测量的准确性，另外，还实现了超快脉冲波形时域测量系统的集成化、小型化。
Description
技术领域
本实用新型涉及时域测量技术领域，特别涉及一种超快脉冲波形时域测量系统。
背景技术
从上个世纪九十年代开始，超快脉冲波形时域测量技术的研究和计量标准的建立成为热点和难点，时域测量范围为10-13s-10-7s之间，该测量的应用主要包括脉冲测距、红外遥感、半导体集成和光通信网络中对超快时域波形进行的测量和校准以及对高速示波器上升时间的校准。例如，国际光纤通信网络发展正朝着高速宽带方向发展，高速光接收机、采样示波器的制造，均需要40GHz、70GHz乃至100GHz的高速光电探测器作为核心校准器件。
光电探测器时间响应是检测高速宽带网络和高速采样示波器的关键校准指标，需要对皮秒级脉冲波形进行测量，目前国际上对70GHz至100GHz的高速光电探测器产生的脉冲波形的测量尚无直接的测量系统和测量仪器，只能采用低速示波器测量高速光电探测器的方法间接测量探测器产生的超快时域脉冲波形，导致无法准确测量高速光电探测器的时间响应参量。
实用新型内容
为实现超快时域脉冲波形的测量，以提高高速光电探测器时间响应测量的准确性，本实用新型提供了一种超快脉冲波形时域测量系统，所述系统包括：光纤激光器、分光器、高速光电探测器、斩波器、电光调制器、可变延时线、偏振态调节装置、补偿器、偏振分光器、差分器和锁相放大器；
所述光纤激光器产生光束，所述分光器将产生的光束分为激励光束和采样光束，所述斩波器对所述激励光束按照预设频率进行斩波处理，所述高速光电探测器接收斩波处理后的激励光束，并产生对应的电信号，将所述电信号传输至所述电光调制器，所述偏振态调节装置对采样光束进行偏振态调节，所述可变延时线通过位移来改变偏振态调节后的采样光束的传输距离，并将改变传输距离后的采样光束传输至所述电光调制器，所述补偿器接收通过所述电光调制器进行电光调制后的透过光束，并对所述透过光束偏振态进行补偿，所述偏振分光器将补偿后的透过光束分为水平偏振光和垂直偏振光，所述差分器对所述水平偏振光和垂直偏振光进行差分处理，以获得偏振光的测量信号，所述锁相放大器从所述测量信号中提取所述预设频率的信号，根据提取的信号以及所述可变延时线的位移来获得所述高速光电探测器的时域脉冲波形。
其中，所述高速光电探测器通过微波探头或微波转接头将所述电信号传输至所述电光调制器。
其中，所述偏振态调节装置包括：四分之一波片、二分之一波片和起偏器；
或；
所述偏振态调节装置包括：四分之一波片、二分之一波片和格兰泰勒棱镜。
其中，所述偏振态调节装置和电光调制器之间设有第一聚光器。
其中，所述差分器对所述水平偏振光和垂直偏振光进行差分处理后，对差分处理的结果进行信号放大，以获得偏振光光功率的测量信号。
其中，所述电光调制器和补偿器之间设有第二聚光器。
其中，所述光纤激光器产生的光束为周期取值范围为50fs～500fs、且与所述高速光电探测器的响应波长相对应的激光脉冲序列。
本实用新型通过各部件的配合，实现了超快时域脉冲波形的测量，提高了高速光电探测器时间响应参数测量的准确性，另外，还实现了超快脉冲波形时域测量系统的集成化、小型化。
附图说明
图1是本实用新型一种实施方式的超快脉冲波形时域测量系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
图1是本实用新型一种实施方式的超快脉冲波形时域测量系统的结构框图；参照图1，所述系统包括：光纤激光器1、分光器2、斩波器3、高速光电探测器4、电光调制器5、可变延时线8、偏振态调节装置、补偿器12、偏振分光器13、差分器14和锁相放大器15；
所述光纤激光器1产生光束(本实施方式中，该光束为周期取值范围为50fs～500fs、且与所述高速光电探测器的响应波长相对应的激光脉冲序列)，所述分光器2将产生的光束分为激励光束和采样光束，所述斩波器对所述激励光束按照预设频率进行斩波处理，所述高速光电探测器4接收斩波处理后的激励光束，并产生对应的电信号，将所述电信号传输至所述电光调制器5上，所述偏振态调节装置对采样光束进行偏振态调节，所述可变延时线8通过位移来改变振态调节后的采样光束的传输距离，并将改变传输距离后的采样光束传输至所述电光调制器5，所述补偿器12接收通过所述电光调制器5进行电光调制后的透过光束，并对所述透过光束偏振态进行补偿，所述偏振分光器13将补偿后的透过光束分为水平偏振光和垂直偏振光，所述差分器14对所述水平偏振光和垂直偏振光进行差分处理，以获得偏振光光功率的测量信号，所述锁相放大器15从所述测量信号中提取所述预设频率的信号，根据提取的信号以及所述可变延时线的位移来获得所述高速光电探测器4的时域脉冲波形(该时域脉冲波形即为高速光探测器的时间响应)。
本实施方式中，所述电光调制器5包括共面波导、微波接头和封装构架，由所述共面波导来实现电光调制。
为便于观察所述透过光束在共面波导金属电极上的位置，可选地，所述系统还包括：显微镜和红外CCD传感器，通过显微镜对所述共面波导表面进行放大，并通过红外CCD传感器观察透过光束的位置获取图像。
将所述电信号传输所述共面波导可采用多种方式，为提高传输效率，可选地，所述高速光电探测器4通过微波探头16将所述电信号传输至所述共面波导上，当然，还可采用其他方式，例如，通过微波转接头来实现传输，本实施方式对此不加以限制。
将第二路光束调节至预设偏振态可采用多种方式，为便于实现，可选地，所述偏振态调节装置包括：四分之一波片6、二分之一波片7和起偏器9，当然，还可采用其他方式，例如，采用四分之一波片6、二分之一波片7和格兰泰勒棱镜9来实现调节，本实施方式对此不加以限制。
为进一步提高测量精度，可选地，所述差分器对所述水平偏振光和垂直偏振光进行差分处理后，对差分处理的结果进行信号放大，以获得偏振光光功率的测量信号。
由于采样光束在传播过程中会出现一定程度的发散，进而影响测量精度，为提高测量精度，可选地，所述偏振态调节装置和共面波导之间设有第一聚光器10。
由于光束在经过共面波导后会出现一定程度的发散，进而影响测量精度，为提高测量精度，可选地，所述共面波导和补偿器12之间设有第二聚光器11。
本实施方式的工作原理为：
高速光电探测器存在一个激光输入端和一个同轴的电气输出端，当它受到由激光输入端输入的激励光束的照射后，在它同轴的电信号输出端将产生一序列高速的电脉冲重复信号。由于光脉冲的宽度非常窄(50fs到500fs数量级)，与光电接收器的响应时间(ps数量级)相比非常地短，因此在同轴端输出的电信号可以被认为是光电接收器的脉冲响应，即所要测量的时域脉冲波形。
高速光电探测器4产生的电信号作为电光调制信号，通过微波探头16传送到共面波导上，共面波导为加工有薄膜电路的电光晶体。共面波导的特性阻抗与该高速光电探测器4的特性阻抗相匹配。
在晶体参考平面利用采样光束可以捕捉共面波导中传输的不断重复的电信号的强度特征。根据等效时间采样原理，采样光束对要测量的电波形进行采样。通过可变延时线改变采样光脉冲和电脉冲之间的相对延时,从而得到被测电信号的脉冲波形。经过延时的采样光束通过一个起偏器9，聚焦到共面波导电极间，并穿过电光晶体。
当采样光束通过电光晶体时，共面波导中的传输电场与采样光束相互作用，从而对采样光束进行电光调制，改变其偏振态，从而使透过电场中的共面波导的采样光束的偏振态相对于入射时(即偏振态调节后的采样光束)的偏振态发生变化。这种偏振态的变化与共面波导中的传输电场的电场强度(即采样光束到达共面波导时，共面波导中的传输电场的电场强度)成正比。偏振分光器将通过补偿器的偏振光分成水平偏振光和垂直偏振光。通过差分放大探测器对两路偏振光(即水平偏振光和垂直偏振光)进行差分处理和信号放大处理得到测量信号，通过锁相放大器从所述测量信号中提取所述预设频率的有效信号，以获得所述高速光电探测器的时域脉冲波形。
另外，为了进一步对所述时域脉冲波形测量结果进行处理，可选地，所述系统还包括：A/D转换器和上位机，将所述时域脉冲波形通过A/D转换器进行A/D转换，并将A/D转换后的时域脉冲波形相关数据发送至上位机，由上位机对该时域脉冲波形包络进行进一步分析处理。
以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (7)
1.一种超快脉冲波形时域测量系统，其特征在于，所述系统包括：光纤激光器、分光器、高速光电探测器、斩波器、电光调制器、可变延时线、偏振态调节装置、补偿器、偏振分光器、差分器和锁相放大器；
所述光纤激光器产生光束，所述分光器将产生的光束分为激励光束和采样光束，所述斩波器对所述激励光束按照预设频率进行斩波处理，所述高速光电探测器接收斩波处理后的激励光束，并产生对应的电信号，将所述电信号传输至所述电光调制器，所述偏振态调节装置对采样光束进行偏振态调节，所述可变延时线通过位移来改变偏振态调节后的采样光束的传输距离，并将改变传输距离后的采样光束传输至所述电光调制器，所述补偿器接收通过所述电光调制器进行电光调制后的透过光束，并对所述透过光束偏振态进行补偿，所述偏振分光器将补偿后的透过光束分为水平偏振光和垂直偏振光，所述差分器对所述水平偏振光和垂直偏振光进行差分处理，以获得偏振光的测量信号，所述锁相放大器从所述测量信号中提取所述预设频率的信号，根据提取的信号以及所述可变延时线的位移来获得所述高速光电探测器的时域脉冲波形。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述高速光电探测器通过微波探头或微波转接头将所述电信号传输至所述电光调制器。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述偏振态调节装置包括：四分之一波片、二分之一波片和起偏器；
或；
所述偏振态调节装置包括：四分之一波片、二分之一波片和格兰泰勒棱镜。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述偏振态调节装置和电光调制器之间设有第一聚光器。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述差分器对所述水平偏振光和垂直偏振光进行差分处理后，对差分处理的结果进行信号放大，以获得偏振光光功率的测量信号。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电光调制器和补偿器之间设有第二聚光器。
7.如权利要求1～6中任一项所述的系统，其特征在于，所述光纤激光器产生的光束为周期取值范围为50fs～500fs、且与所述高速光电探测器的响应波长相对应的激光脉冲序列。
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| CN108512722A (zh) * | 2018-03-13 | 2018-09-07 | 北京精密机电控制设备研究所 | 一种多级数字总线控制系统相位频率特性测量优化方法 |
| CN112763083A (zh) * | 2020-11-30 | 2021-05-07 | 北京无线电计量测试研究所 | 一种皮秒级脉冲产生器波形参数测量装置及方法 |
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