一種用于產(chǎn)生定標的超快脈沖信號的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生定標的超快脈沖信號的裝置，包括微波信號源、功分器、第一飛秒激光器、第二飛秒激光器、第一聚焦透鏡、直流電壓源、直流探針、光導(dǎo)開關(guān)、光學(xué)延時線、平衡光電探測器、平面鏡、第二聚焦透鏡、斬波器、函數(shù)發(fā)生器、鎖相放大器、計算機、微波探針。本發(fā)明優(yōu)點在于基于飛秒光電技術(shù)能夠產(chǎn)生上升時間小于2ps的脈沖信號，同時能對產(chǎn)生的超快脈沖信號進行準確的測量、定標，經(jīng)過定標的超快脈沖信號可以作為標準超快脈沖信號用于寬帶實時示波器上升時間的校準，實現(xiàn)了寬帶實時示波器上升時間校準的新突破，提高了上升時間校準的準確度，且能夠形成完整溯源鏈。
【專利說明】一種用于產(chǎn)生定標的超快脈沖信號的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種校準上升時間的裝置，特別是一種用于產(chǎn)生定標的超快脈沖信號的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，商品型示波器校準儀產(chǎn)生的標準脈沖的最快上升時間是25ps，會給寬帶示波器上升時間的校準結(jié)果引入巨大誤差?；诩冸娮訉W(xué)理論的非線性傳輸線產(chǎn)生技術(shù)，能夠產(chǎn)生上升時間約為5ps的快脈沖，但是該脈沖很難準確定標，不能形成完整溯源鏈，而且在校準寬帶示波器上升時間時同樣會引入較大誤差?；诠怆娮訉W(xué)理論的商品型光電探測器產(chǎn)生技術(shù)，能夠產(chǎn)生上升時間約為7ps的快脈沖，但是光電探測器自身沖激響應(yīng)的校準不能形成完整溯源鏈，很難準確定標，在寬帶示波器上升時間校準過程中會引入較大誤差。
[0003]目前，商品型實時示波器的最高帶寬是65GHz，其上升時間的理論值大約為6ps，為了滿足此類實時示波器上升時間的校準，就需要標準超快脈沖信號的上升時間小于2ps。為了保證示波器測量信號的準確度，需要周期性的對示波器進行校準。示波器需要校準的眾多指標參數(shù)中最終要的就是上升時間的指標。示波器上升時間的校準，本質(zhì)上是利用一個已知參數(shù)的標準超快脈沖信號進行校準，要求標準超快脈沖信號的上升時間至少優(yōu)于待校準示波器上升時間3倍，這樣才能在95%置信概率下，誤差控制在5%左右。
[0004]傳統(tǒng)的基于純電子學(xué)技術(shù)的快脈沖產(chǎn)生和測量技術(shù)都無法滿足寬帶實時示波器上升時間的校準，就需要探索和研究新的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種用于產(chǎn)生定標的超快脈沖信號的裝置及方法，用以解決寬帶實時示波器上升時間不能準確校準的問題，提高校準的準確度。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0007]—種用于產(chǎn)生定標的超快脈沖信號的裝置，該裝置包括:
[0008]用于產(chǎn)生同步的第一微波信號和第二微波信號的微波信號發(fā)生裝置；
[0009]基于第一路微波信號產(chǎn)生第一激光束的第一飛秒激光器；
[0010]基于第二路微波信號產(chǎn)生第二激光束的第二飛秒激光器；
[0011]用于將所述第二激光束延時的延時單元；
[0012]其背面襯底形成有電光效應(yīng)材料的光導(dǎo)開關(guān)，所述第一激光束被聚焦到光導(dǎo)開關(guān)正面的光導(dǎo)縫隙處，激勵光導(dǎo)縫隙產(chǎn)生光生載流子，經(jīng)延時的第二激光束被聚焦入射到光導(dǎo)開關(guān)背面，反射出偏振態(tài)發(fā)生變化的反射光；
[0013]用于給所述光導(dǎo)開關(guān)提供直流電壓的直流電壓源，所述光生載流子在光導(dǎo)開關(guān)上面的直流電壓作用下產(chǎn)生超快脈沖信號；
[0014]平衡光電探測器，基于接收的反射光產(chǎn)生電信號；和
[0015]鎖相放大器，用于與所述延時單元的延時相應(yīng)的采集平衡光電探測器輸出的電信號;
[0016]計算單元，基于所采集的電信號計算所述超快脈沖信號的上升沿時間以對該超快脈沖信號進行定標；
[0017]與所述光導(dǎo)開關(guān)壓接的微波探針，用于輸出所述經(jīng)定標的超快脈沖信號。
[0018]優(yōu)選的，所述信號發(fā)生器包括用于提供微波信號的微波信號源；和用于將所微波信號分為同步的第一微波信號和第二微波信號的功分器。
[0019]優(yōu)選的，所述第一飛秒激光器采用780nm型飛秒激光器，所述第二飛秒激光器采用1560nm型飛秒激光器。
[0020]優(yōu)選的，該裝置還包括用于為第一激光束調(diào)制的斬波器；和用于為所述斬波器提供驅(qū)動信號和為所述鎖相放大器提供與所述斬波器驅(qū)動信號同步觸發(fā)的參考信號的函數(shù)發(fā)生器。
[0021]優(yōu)選的，該裝置還包括連接在所述直流電壓源和光導(dǎo)開關(guān)之間的直流探針，所述直流探針與光導(dǎo)開關(guān)壓接。
[0022]優(yōu)選的，該裝置進一步包括控制單元，用于控制延時單元的延時和鎖相放大器對電信號的采集。
[0023]優(yōu)選的，所述微波探頭與光導(dǎo)開關(guān)壓接，所述微波探針和光導(dǎo)開關(guān)連接位置與第二激光束聚焦位置的垂直方向上保持一致。
[0024]一種用于產(chǎn)生定標的超快脈沖信號的方法，該方法包括
[0025]利用第一飛秒激光器基于第一路微波信號產(chǎn)生第一激光束，利用第二飛秒激光器基于第二路微波信號產(chǎn)生第二激光束，所述第一微波信號與第二微波信號同步；
[0026]將經(jīng)斬波器調(diào)制后的第一激光束經(jīng)聚焦后射入光導(dǎo)開關(guān)的光敏縫隙中產(chǎn)生光生載流子，并在光導(dǎo)開關(guān)的直流電壓作用下產(chǎn)生超快電脈沖信號；
[0027]將第二激光束經(jīng)延時和聚焦后，入射到光導(dǎo)開關(guān)背面的具有電光效應(yīng)的襯底材料上；
[0028]經(jīng)所述襯底材料上反射的光束入射至平衡光電探測器中產(chǎn)生電信號；
[0029]鎖相放大器與延時單元的延時相應(yīng)的對所述電信號進行采集
[0030]優(yōu)選的，所述超快電脈沖沿光導(dǎo)開關(guān)傳輸Imm?2_，所述第二激光束聚焦的位置與光導(dǎo)縫隙的水平距離為Imm?2mm，同時保證第二激光束聚焦位置落入超快電脈沖傳輸距離范圍內(nèi)。。
[0031]優(yōu)選的，該方法進一步包括將延時單元掃描整個周期內(nèi)采集到的測量數(shù)據(jù)進行處理，獲得上升時間被確定的超快脈沖信號。
[0032]本發(fā)明優(yōu)點在于基于飛秒光電技術(shù)能夠產(chǎn)生上升時間小于2ps的脈沖信號，同時能對產(chǎn)生的超快脈沖信號進行準確的測量、定標，經(jīng)過定標的超快脈沖信號可以作為標準超快脈沖信號用于寬帶實時示波器上升時間的校準，實現(xiàn)了寬帶實時示波器上升時間校準的新突破，提高了上升時間校準的準確度，且能夠形成完整溯源鏈。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1示為一種用于產(chǎn)生定標的超快脈沖信號的裝置示意圖。
[0034]1、微波信號源，2、功分器,3、第一飛秒激光器,4、第二飛秒激光器,5、第一聚焦透鏡，6、直流電壓源，7、直流探針，8、光導(dǎo)開關(guān)，9、光學(xué)延時線，10、平衡光電探測器，11、平面鏡，12、第二聚焦透鏡，13、斬波器，14，函數(shù)發(fā)生器，15、鎖相放大器，16、計算機，17、微波探針，18、待校準寬帶實時示波器。
【具體實施方式】
[0035]下面根據(jù)附圖對本發(fā)明做進一步描述。
[0036]一種用于產(chǎn)生定標的超快脈沖信號的裝置，包括微波信號源1、功分器2、第一飛秒激光器3、第二飛秒激光器4、第一聚焦透鏡5、直流電壓源6、直流探針7、光導(dǎo)開關(guān)8、光學(xué)延時線9、平衡光電探測器10、平面鏡11、第二聚焦透鏡12、斬波器13、函數(shù)發(fā)生器14、鎖相放大器15、計算機16、微波探針17。
[0037]微波信號源I的輸出端和功分器2的輸入端連接,功分器2的一個輸出端和第一飛秒激光器3參考信號輸入端連接,功分器2的另外一個輸出端和第二飛秒激光器4參考信號輸入端連接，函數(shù)發(fā)生器14的信號輸出端和斬波器13的參考輸入端連接，函數(shù)發(fā)生器14的同步觸發(fā)輸出端和鎖相放大器15的參考輸入端連接，平衡光電探測器10的輸出端和鎖相放大器15的信號輸入端連接，直流電壓源6的輸出端和直流探針7的同軸輸入端連接，直流探針6的GSG探針端和光導(dǎo)開關(guān)8的GSG電極連接，微波探針17的GSG探針端和光導(dǎo)開關(guān)8的GSG電極連接，微波探針17的同軸輸出端和待校準寬帶實時示波器18的輸入端連接，第一飛秒激光器3輸出的空間光通過斬波器13，通過斬波器13之后的空間光通過第一聚焦透鏡5聚焦到光導(dǎo)開關(guān)8正面的光導(dǎo)縫隙處，第二飛秒激光器4輸出的空間光通過例如光學(xué)延時線9的延時單元，通過光學(xué)延時線9之后的空間光依次通過平面鏡11和第二聚焦透鏡12聚焦到光導(dǎo)開關(guān)8背面的襯底材料上，通過光導(dǎo)開關(guān)8背面的襯底材料反射的空間光聚焦到平衡光電探測器10的輸入端，例如計算機16的控制單元和計算單元通過GPIB控制線與鎖相放大器15和光學(xué)延時線9的控制端連接。
[0038]圖1所述測量裝置的工作過程:首先通過微波信號源I和功分器2為第一飛秒激光器3例如780nm飛秒激光器和第二飛秒激光器4例如1560nm飛秒激光器提供同步的參考信號，保證兩臺飛秒激光器輸出同步的飛秒激光束。函數(shù)發(fā)生器14的輸出信號驅(qū)動斬波器13對第一飛秒激光器3輸出的空間光進行調(diào)制，經(jīng)過調(diào)制后的空間光經(jīng)過第一聚焦透鏡5聚焦到光導(dǎo)開關(guān)8正面的光導(dǎo)縫隙處激勵光導(dǎo)縫隙產(chǎn)生光生載流子，光生載流子在加到光導(dǎo)開關(guān)8上面的直流電壓的作用下快速運動，產(chǎn)生超快電脈沖，超快電脈沖沿光導(dǎo)開關(guān)8傳輸例如1_?2_的一段距離，同時與第一飛秒激光器3同步的第二飛秒激光器4輸出的空間光通過其延時量受例如計算機16的控制單元控制的延時單元例如光學(xué)延時線9,通過光學(xué)延時線9之后的空間光透過平面鏡11后被聚焦到超快電脈沖傳輸了所述1_?2mm的距離后對應(yīng)的光導(dǎo)開關(guān)8背面的位置處并在該位置反射，該裝置采用的平面鏡11的一面貼有1560nm光增透膜，透光率為99.9%，另一面的貼有1560nm光高反射膜，反射率為99.9%，上述貼有兩種膜的平面鏡11可滿足本裝置對1560nm光的增透和反射的需要。光導(dǎo)開關(guān)8背面的襯底材料具有電光效應(yīng)，使得這束從光導(dǎo)開關(guān)8背面入射的光在超快電脈沖電場的作用下其反射光的偏振態(tài)發(fā)生變化，偏振態(tài)發(fā)生變化的反射光經(jīng)所述平面鏡11反射后入射到平衡光電探測器10，通過平衡光電探測器10將偏振態(tài)變化的光轉(zhuǎn)變?yōu)樽兓碾娦盘?，由于這種變化很微弱，需要使用鎖相放大器15對這種變化進行測量。用函數(shù)發(fā)生器14的同步觸發(fā)輸出信號作為鎖相放大器15的參考信號，例如計算機16的計算單元可根據(jù)測量的電信號的大小推算偏振態(tài)的變化從而可以推算出超快電脈沖的電場強度。通過計算機16對延時線9和鎖相放大器15進行控制，使得用鎖相放大器15測量平衡光電探測器10輸出電信號與光學(xué)延時線9的移動相對應(yīng)，利用等效取樣原理測得超快電脈沖的時域波形，由此實現(xiàn)對超快電脈沖時域波形的電光取樣測量。將測量后準確的超快脈沖信號通過微波探針17耦合輸出作為校準寬帶實時示波器18上升時間的標準超快脈沖信號，實現(xiàn)對寬帶實時示波器上升時間的校準。
[0039]利用本發(fā)明的校準裝置對示波器進行校準的具體實施步驟為:
[0040]a)將微波信號源I的輸出連接到功分器2的輸入端；
[0041]b)將功分器2的兩個輸出端分別連接到780nm的第一飛秒激光器3和1560nm的
第二飛秒激光器4的參考信號輸入端，確保兩臺飛秒激光器輸出的飛秒脈沖激光的重復(fù)頻率穩(wěn)定的鎖定到同一頻率源上；
[0042]c)將第一飛秒激光器3輸出的空間光通過斬波器13 ；
[0043]d)將通過斬波器13輸出的第一激光束通過焦距例如為50mm的第一聚焦透鏡5聚焦到光導(dǎo)開關(guān)8正面的光導(dǎo)縫隙處產(chǎn)生光生載流子；
[0044]e)將第二飛秒激光器4輸出的空間光入射到光學(xué)延時線9的光輸入反射鏡上；
[0045]f)調(diào)節(jié)光學(xué)延時線9的輸入反射鏡和輸出反射鏡,使得經(jīng)過光學(xué)延時線9傳輸?shù)牡诙す馐谘訒r線移動范圍內(nèi)保持準直；
[0046]g)將光學(xué)延時線9輸出反射鏡輸出的第二激光束透射通過平面鏡11的1560nm增透面；
[0047]h)將通過平面鏡的第二激光束通過焦距例如為15_的第二聚焦透鏡12，聚焦到光導(dǎo)開關(guān)背面的襯底材料上，聚焦的位置與光導(dǎo)縫隙的水平距離為Imm?2mm ;
[0048]i)將光導(dǎo)開關(guān)8背面電極反射回的第二激光束通過平面鏡11的1560nm反射面射入到平衡光電探測器10 ；
[0049]j)通過3維高精度平移臺調(diào)節(jié)直流探針7，將直流探針7的GSG三根探針分別壓接到光導(dǎo)開關(guān)8上的GSG三根電極上；
[0050]k)將直流電壓源6的輸出端連接到直流探針7的同軸輸入端，設(shè)置直流電壓源6的輸出電壓為15V?30V，給光導(dǎo)開關(guān)8提供直流偏置工作電壓，使得產(chǎn)生的光生載流子定向移動Imm?2mm的一段距離至經(jīng)延時的第二激光束入射至光導(dǎo)開關(guān)背面襯底的位置；
[0051]I)將函數(shù)發(fā)生器14的信號輸出端連接到斬波器13的信號輸入端，設(shè)置函數(shù)發(fā)生為方波信號輸出，頻率控制在IKHz?20KHz，幅度控制在4V?5V，通過斬波器對第一激光束進彳T調(diào)制；
[0052]m)將函數(shù)發(fā)生器14的觸發(fā)輸出端連接到鎖相放大器15的參考信號輸入端，為鎖相放大器15測量信號提供參考信號；
[0053]η)將平衡光電探測器10的信號輸出端連接到鎖相放大器15的信號輸入端；
[0054]ο)通過計算機16控制光學(xué)延時線9實現(xiàn)光學(xué)延時；
[0055]ρ)通過計算機16控制鎖相放大器15對平衡光電探測器10產(chǎn)生的信號進行測量并采集測量結(jié)果；
[0056]q)通過計算機16控制光學(xué)延時線9每步進一次，對應(yīng)的控制鎖相放大器15進行一次數(shù)據(jù)采集，使得光學(xué)延時線9掃描一個周期，將整個周期內(nèi)采集到的測量數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，例如畫圖處理，可以得到第一激光束激勵光導(dǎo)開關(guān)8正面光導(dǎo)縫隙產(chǎn)生的超快電脈沖，對該超快脈沖信號進行定標，此定標超快脈沖信號是具有標準上升沿時間的超快脈沖信號，將此定標超快脈沖信號作為標準超快脈沖信號用于寬帶實時示波器18上升時間的校準；
[0057]r)通過3維高精度平移臺調(diào)節(jié)微波探針17，將微波探針17的GSG三根探針分別壓接到光導(dǎo)開關(guān)8上的GSG三根電極上，壓接的位置距離光導(dǎo)開關(guān)8正面光導(dǎo)縫隙Imm?2mm,與光導(dǎo)開關(guān)8背面入射的第二激光束的位置在垂直方向上保持一致，這樣才能保證在該位置處定標的超快脈沖信號在該位置處被用作標準超快脈沖信號校準寬帶實時示波器18的上升時間；
[0058]s)將微波探針17的同軸輸出端連接到待校準寬帶實時示波器18的通道上，對寬帶實時示波器的該通道進行上升時間的校準；
[0059]綜上所述裝置及方法，能夠產(chǎn)生上升時間小于2ps的超快脈沖信號，同時能對產(chǎn)生的超快脈沖信號進行準確的測量、定標，經(jīng)過定標的超快脈沖信號可以作為標準超快脈沖信號用于寬帶實時示波器上升時間的校準，實現(xiàn)了寬帶實時示波器上升時間校準的新突破，提高了上升時間校準的準確度，且能夠形成完整溯源鏈。
[0060]可以理解為，本發(fā)明是通過一些實施例進行描述的，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對這些特征和實施例進行各種改變或等效替換。另外，在本發(fā)明的教導(dǎo)下，可以對這些特征和實施例進行修改以適應(yīng)具體的情況及材料而不會脫離本發(fā)明的精神和范圍。因此，本發(fā)明不受此處所公開的具體實施例的限制，所有落入本申請的權(quán)利要求范圍內(nèi)的實施例都屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于產(chǎn)生定標的超快脈沖信號的裝置，其特征在于:該裝置包括: 用于產(chǎn)生同步的第一微波信號和第二微波信號的微波信號發(fā)生裝置； 基于第一路微波信號產(chǎn)生第一激光束的第一飛秒激光器； 基于第二路微波信號產(chǎn)生第二激光束的第二飛秒激光器； 用于將所述第二激光束延時的延時單元； 其背面襯底形成有電光效應(yīng)材料的光導(dǎo)開關(guān)，所述第一激光束被聚焦到光導(dǎo)開關(guān)正面的光導(dǎo)縫隙處，激勵光導(dǎo)縫隙產(chǎn)生光生載流子，經(jīng)延時的第二激光束被聚焦入射到光導(dǎo)開關(guān)背面，反射出偏振態(tài)發(fā)生變化的反射光； 用于給所述光導(dǎo)開關(guān)提供直流電壓的直流電壓源，所述光生載流子在光導(dǎo)開關(guān)上面的直流電壓作用下產(chǎn)生超快脈沖信號； 平衡光學(xué)電探測器，基于接收的反射光產(chǎn)生電信號；和 鎖相放大器，用于與所述延時單元的延時相應(yīng)的采集平衡光電探測器輸出的電信號；計算單元，基于所采集的電信號計算所述超快脈沖信號的上升沿時間以對該超快脈沖信號進行定標； 與所述光導(dǎo)開關(guān)壓接的微波探針，用于輸出所述經(jīng)定標的超快脈沖信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于產(chǎn)生定標的超快脈沖信號的裝置，其特征在于:所述信號發(fā)生器包括 用于提供微波信號的微波信號源；和 用于將所微波信號分為同步的的第一微波信號和第二微波信號的功分器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于產(chǎn)生定標的超快脈沖信號的裝置，其特征在于:所述第一飛秒激光器采用780nm型飛秒激光器，所述第二飛秒激光器采用1560nm型飛秒激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于產(chǎn)生定標的超快脈沖信號的裝置，其特征在于:該裝置還包括 用于為第一激光束調(diào)制的斬波器；和 用于為所述斬波器提供驅(qū)動信號和為所述鎖相放大器提供與所述斬波器驅(qū)動信號同步觸發(fā)的參考信號的函數(shù)發(fā)生器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于產(chǎn)生定標的超快脈沖信號的裝置，其特征在于:該裝置還包括連接在所述直流電壓源和光導(dǎo)開關(guān)之間的直流探針，所述直流探針與光導(dǎo)開關(guān)壓接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于產(chǎn)生定標的超快脈沖信號的裝置，其特征在于:該裝置進一步包括控制單元，用于控制延時單元的延時和鎖相放大器對電信號的采集。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于產(chǎn)生定標的超快脈沖信號的裝置，其特征在于:所述微波探頭與光導(dǎo)開關(guān)壓接，所述微波探針和光導(dǎo)開關(guān)連接位置與第二激光束聚焦位置的垂直方向上保持一致。
8.一種用于產(chǎn)生定標的超快脈沖信號的方法，其特征在于:該方法包括 利用第一飛秒激光器基于第一路微波信號產(chǎn)生第一激光束，利用第二飛秒激光器基于第二路微波信號產(chǎn)生第二激光束，所述第一微波信號與第二微波信號同步； 將經(jīng)斬波器調(diào)制后的第一激光束經(jīng)聚焦后射入光導(dǎo)開關(guān)的光敏縫隙中產(chǎn)生光生載流子，并在光導(dǎo)開關(guān)的直流電壓作用下產(chǎn)生超快電脈沖信號； 將第二激光束經(jīng)延時和聚焦后，入射到光導(dǎo)開關(guān)背面的具有電光效應(yīng)的襯底材料上； 經(jīng)所述襯底材料上反射的光束入射至平衡光電探測器中產(chǎn)生電信號； 鎖相放大器與延時單元的延時相應(yīng)的對所述電信號進行采集。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種用于產(chǎn)生定標的超快脈沖信號的方法，其特征在于:所述超快電脈沖沿光導(dǎo)開關(guān)傳輸Imm~2mm，所述第二激光束聚焦的位置與光導(dǎo)縫隙的水平距離為1mm~2mm，同時保證第二激光束聚焦位置落入超快電脈沖傳輸距離范圍內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種用于產(chǎn)生定標的超快脈沖信號的方法，其特征在于:該方法進一步包括將延時單元掃描整個周期內(nèi)采集到的測量數(shù)據(jù)進行處理，獲得上升時間被確定的超快脈沖信 號。
【文檔編號】G01R35/00GK103529419SQ201310519895
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月29日
【發(fā)明者】龔鵬偉, 謝文, 馬紅梅, 楊春濤, 姜河, 諶貝 申請人:北京無線電計量測試研究所