一種用于超快脈沖時域波形測量的裝置及方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于超快脈沖時域波形測量的裝置，包括微波信號源、飛秒脈沖激光器、光導探針、同軸到共面轉換器、共面波導和鎖相放大器；所述微波信號源為超快脈沖產生器和飛秒脈沖激光器提供微波信號源，使超快脈沖產生器產生超快脈沖；所述同軸到共面轉換器將接收到的超快脈沖傳遞到共面波導上產生超快脈沖電場；所述延時激光激勵光導探針在超快脈沖電場作用下產生光敏電流，并通過鎖相放大器采樣。本發明優點在于可以測量脈沖寬度為亞10ps的超快脈沖，不僅可以測量同軸傳輸的超快脈沖，而且可以測量平面傳輸的超快脈沖，實現了超快脈沖時域波形測量的新突破，提高了對能夠產生超快脈沖的儀器設備和器件的測量水平。
【專利說明】一種用于超快脈沖時域波形測量的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明及一種時域波形測量的裝置，特別是一種用于超快脈沖時域波形測量的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]目前，測量超快脈沖時域波形的傳統測量裝置是數字示波器。這種測量裝置的限制在于數字示波器的帶寬和上升時間，以及僅僅對同軸系統傳輸的信號具有較高測量能力。目前商業可得的示波器的最高帶寬是IOOGHz的取樣示波器和65GHz的實時示波器，其上升時間的理論值大約為4ps和6ps，無法滿足脈沖半幅度寬度日益減小的超快脈沖時域波形的測量需求。
[0003]隨著超快脈沖產生技術的發展，利用光電技術能夠產生脈寬更窄、幅度更高的超快脈沖。這樣的脈沖信號在平面結構的器件中傳輸時，才能更好的保證其信號特性。這樣共面傳輸的超快脈沖信號時域波形若使用示波器測量，無法得到時域波形的實際測量結果，由此，需要研究新的方法進行平面傳輸的超快脈沖時域波形的測量。

【發明內容】

[0004]本發明要解決的技術問題是提供一種用于超快脈沖時域波形測量的裝置及方法，解決傳統使用示波器對超快脈沖時域波形進行測量，由于目前示波器帶寬和上升時間的限制，使得示波器測量超快脈沖時域波形時會給測量結果引入較大誤差的問題。
[0005]為解決上述技術問題，本發明采用下述技術方案:
[0006]一種用于超快脈沖時域波形測量的裝置，該測量裝置包括:用于產生共時基的第一微波信號和第二微波信號的微波信號源；基于所述第一微波信號產生飛秒脈沖激光的飛秒脈沖激光器，沿該飛秒脈沖激光的傳輸路徑依次設置的延時單元和光導探針；用于輸出所述第二微波信號的參考信號輸出端；用于輸入與所述飛秒脈沖激光同步的超快脈沖信號的超快脈沖信號輸入端；沿該超快脈沖信號的傳輸路徑依次設置的同軸到共面轉換器和共面波導，所述光導探針相對于所述共面波導的位置被設置為使得所述經延時單元延時的飛秒脈沖激光激勵所述光導探針在所述共面波導產生的超快脈沖電場作用下產生光敏電流；和鎖相放大器，用于與所述延時單元的延時相應地對所述光敏電流進行采樣得到采樣信號。
[0007]優選的，該測量裝置還包括函數發生器、功分器和超快脈沖調制器；所述功分器將來自函數發生器的調制信號分為頻率相同的第一路信號和第二路信號；所述超快脈沖調制器接基于所述第一路信號對來自所述輸入端的超快脈沖信號進行調制，并將經調制的超快脈沖信號輸出到所述同軸到共面轉換器；所述鎖相放大器接收所述第二路信號作為其參考信號。
[0008]優選的，該測量裝置還包括控制和計算單元，所述控制和計算單元分別控制光學延時線和鎖相放大器，以使所述飛秒脈沖激光的延時和鎖相放大器的采樣相對應，并基于等效取樣原理對所述采樣信號進行處理得到所述超快脈沖信號的時域波形。
[0009]優選的，所述同軸到共面轉換器采用同軸到共面適配器。
[0010]優選的，所述同軸到共面轉換器與共面波導壓接。
[0011]優選的，所述光導探針的光敏縫隙平面與共面波導的平面平行，且光導探針的光敏縫隙與共面波導表面之間的距離為5 μ m?10 μ m。
[0012]一種用于超快脈沖時域波形測量的方法，該方法包括
[0013]微波信號源輸出共時基的第一路微波信號和第二路微波信號；
[0014]利用飛秒脈沖激光器基于所述第一微波信號產生飛秒脈沖激光，
[0015]以所述第二微波信號作為參考信號得到與所述飛秒脈沖激光同步的超快脈沖信號;
[0016]將該超快脈沖信號進行同軸到共面轉換并傳輸至共面波導；
[0017]將該飛秒脈沖激光經延時后射入光導探針的光敏縫隙中，使得所述經延時單元延時的飛秒脈沖激光激勵所述光導探針在所述共面波導產生的超快脈沖電場作用下產生光敏電流；
[0018]與所述延時單元的延時相應地對所述光敏電流進行采樣得到采樣信號。
[0019]優選的，該方法進一步包括：利用函數發生器產生調制信號，并將該調制信號分為頻率相同的第一路信號和第二路信號，基于所述第一路信號調制所述超快脈沖信號，以及將所述第二路信號作為參考信號解調所述采樣信號。
[0020]優選的，基于等效取樣原理對所述采樣信號進行處理得到所述超快脈沖信號的時域波形
[0021]優選的，該方法進一步包括利用光學延時線對所述飛秒脈沖激光進行延時，并對延時后的飛秒脈沖激光進行聚焦。
[0022]本發明優點在于基于光電技術能夠測得示波器很難測得的超快脈沖的真實時域波形，光導取樣的等效帶寬可達300GHz，可以測量脈沖寬度亞IOps的超快脈沖，不僅可以提高測量同軸傳輸的超快脈沖的精度，而且可以測量實際情況中遇到的平面傳輸的超快脈沖，實現了超快脈沖時域波形測量的新突破，提高了對能夠產生超快脈沖的儀器設備和器件的測量水平。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖I示為一種用于超快脈沖時域波形測量的裝置的示意圖。
[0024]圖中Al、參考信號輸出端，A2、超快脈沖信號輸入端；
[0025]I、微波信號源，2、飛秒脈沖激光器，3、光學延時線，4、光導探針，5、超快脈沖產生器，6、超快脈沖調制器，7、同軸到共面適配器，8、共面波導，9、函數發生器，10、功分器，11、鎖相放大器，12、計算機。
【具體實施方式】
[0026]下面根據附圖對本發明做進一步描述。
[0027]圖I示為根據本發明優選實施例的一種用于超快脈沖時域波形測量的裝置的示意圖。該測量裝置包括參考信號輸出端Al和超快脈沖信號輸入端A2。該裝置進一步包括微波信號源I，秒脈沖激光器2，延時單元，光導探針4，超快脈沖調制器6，同軸到共面轉換器，共面波導8，函數發生器9，功分器10，鎖相放大器11，以及控制和計算裝置。微波信號源I用于產生共時基的第一微波信號和第二微波信號，其第一輸出端和飛秒脈沖激光器2的穩頻參考輸入端連接，第二輸出端作為測量裝置的參考信號輸出端用于和超快脈沖產生器5的外參考輸入端連接,輸出參考頻率例如為IOMHz的第二微波信號。飛秒脈沖激光器2基于所述第一微波信號產生飛秒脈沖激光。超快脈沖產生器5以該第二微波信號作為參考信號產生與飛秒脈沖激光同步的超快脈沖信號。該測量裝置的輸入端A2用于與超快脈沖產生器5的信號輸出端連接接收所述超快脈沖信號。函數發生器9的信號輸出端和功分器10的信號輸入端連接，功分器10的第一輸出端和第二輸出端分別與超快脈沖調制器6的調制信號輸入端和鎖相放大器11的參考信號輸入端連接。超快脈沖調制器6基于來自功分器的調制信號對超快脈沖信號進行調制，其信號輸出端和同軸到共面適配器7的同軸到共面轉換器的信號輸入端連接。同軸到共面適配器7的信號輸出端和共面波導8連接。飛秒脈沖激光器2的光輸出端的空間傳輸飛秒脈沖激光通過例如光學延時線3的延時單元，通過光學延時線3的飛秒脈沖激光激勵放置于距離共面波導8表面5 μ m?10 μ m位置的光導探針4縫隙。光導探針4的信號輸出端和鎖相放大器11的信號輸入端連接，計算機12通過GPIB控制線與鎖相放大器和光學延時線3的控制端連接。
[0028]圖1所述測量裝置的工作過程為:微波信號源I分別為飛秒脈沖激光器2和超快脈沖產生器5提供共時基的第一微波信號和第二微波，保證產生的飛秒脈沖激光與輸入測量裝置的超快脈沖同步。函數發生器9產生調制信號并通過功分器10后分為同步的第一路信號和第二路信號。第一路信號被輸出至超快脈沖調制器6，超快脈沖調制器6基于該第一路信號對輸入的超快脈沖進行脈沖調制。第二路信號被輸出至鎖相放大器，用作鎖相放大器11的參考信號。通過3維高精度平移臺將同軸到共面適配器7和共面波導8壓接，通過5維高精度平移臺調整光導探針4與共面波導8表面的距離和角度，使得光導探針4縫隙與共面波導8電極平行并且處在距離共面波導8表面5 μ m?10 μ m的空間上。把飛秒脈沖激光器2空間輸出的飛秒脈沖激光通過光學延時線3傳輸，調節光學延時線3使得在整個延時范圍內光能夠準直傳輸。將通過光學延時線3傳輸的飛秒脈沖激光進行聚焦，激勵光導探針4的光敏縫隙。共面波導8中傳輸的超快電脈沖的輻射電場會對光敏縫隙兩端施加電壓，使得經過激勵后的光敏縫隙處產生的光生載流子發生定向運動產生光敏電流。因為產生的光敏電流非常微弱，使用鎖相放大器對光生電流進行采樣測量得到采樣信號。將光敏電流的大小通過電光效應推算出施加到光導探針4光敏縫隙兩端的電場強度。通過例如計算機12的控制和計算單元控制光學延時線3和鎖相放大器11實現對超快脈沖時域波形的采樣測量。
[0029]本發明具體實施步驟為:
[0030](1)、將微波信號源I的第一輸出連接到飛秒脈沖激光器2的穩頻參考信號輸入端，確保飛秒脈沖激光器輸出的飛秒脈沖激光的重復頻率穩定的鎖定到微波信號源I的參考頻率上。
[0031]⑵、將微波信號源I的例如IOMHz時基信號的第二輸出連接到超快脈沖產生器5的參考信號輸入端，確保超快脈沖產生器5的輸出信號與飛秒脈沖激光器2輸出飛秒脈沖激光同步。[0032]⑶、將超快脈沖產生器5的輸出端口直接連接到測量裝置的輸入端輸入超快脈沖調制器6產生的超快脈沖信號。
[0033](4)、將超快脈沖調制器6的信號輸出端口直接連接到同軸到共面適配器7的信號輸入端口。
[0034](5)、通過3維高精度平移臺調節同軸到共面適配器7，將同軸到共面適配器7的信號輸出端壓接到共面波導上。
[0035](6)、將函數發生器9的信號輸出端連接到功分器10的信號輸入端，設置函數發生優選為方波信號的輸出信號，頻率控制在例如IKHz?20KHz，幅度控制在例如4V?5V。
[0036](7)、將功分器10的第一路信號輸出連接到超快脈沖調制器6的調制信號輸入端。超快脈沖調制器6基于該調制信號調制所接收的超快脈沖信號。
[0037](8)、將功分器10的第二路信號輸出連接到鎖相放大器11的參考信號輸入端。鎖相放大器基于該參考信號對采樣信號進行解調。
[0038](9)、將飛秒脈沖激光器2輸出的空間傳輸的飛秒脈沖激光入射到光學延時線3的光輸入反射鏡上。
[0039](K))、調節光學延時線3的入射反射鏡和出射反射鏡，使得經過光學延時線3傳輸的飛秒脈沖激光在延時線移動范圍內保證準直。
[0040](11)、將光學延時線3出射反射鏡的光進行聚焦。
[0041](12)、將聚焦后的飛秒脈沖激光入射到光導探針4的光敏縫隙處。
[0042](13)、通過5維高精度平移臺調節光導探針4，使得光導探針4的光敏縫隙平面與共面波導8的平面平行，同時調節光導探針4的光敏縫隙與共面波導8表面之間的距離，使得該距離例如在5 μ m?10 μ m，以使經延時單元延時的飛秒脈沖激光激勵所述光導探針在所述共面波導產生的超快脈沖電場作用下產生光敏電流。
[0043](14)、將光導探針4的信號輸出端口連接到鎖相放大器11的信號輸入端。
[0044](15)、通過計算機12控制光學延時線3實現光學延時。
[0045](16)、通過計算機12控制鎖相放大器11對光導探針4的光敏縫隙處的光生電流進行測量并采集測量結果。
[0046](17)、通過計算機12控制光學延時線3每步進一次，對應的控制鎖相放大器11進行一次數據采集，使得光學延時線3掃描一個周期，將基于電光效應原理對整個周期內采集到的測量數據進行計算和畫圖處理，就可以得到超快脈沖的時域波形。
[0047]根據以上所述本發明基于光電技術能夠測得示波器很難測得的超快脈沖的真實時域波形。根據本發明測量裝置的光導取樣的等效帶寬可達300GHz，可以測量脈沖寬度為亞IOps的超快脈沖，不僅可以提高測量同軸傳輸的超快脈沖的精度，而且可以測量實際情況中遇到的平面傳輸的超快脈沖，實現了超快脈沖時域波形測量的新突破，提高了對能夠產生超快脈沖的儀器設備和器件的測量水平。
[0048]可以理解為，本發明是通過一些實施例進行描述的，本領域技術人員在不脫離本發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，在本發明的教導下，可以對這些特征和實施例進行修改以適應具體的情況及材料而不會脫離本發明的精神和范圍。因此，本發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利要求范圍內的實施例都屬于本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種用于超快脈沖時域波形測量的裝置，其特征在于:該測量裝置包括: 用于產生共時基的第一微波信號和第二微波信號的微波信號源； 基于所述第一微波信號產生飛秒脈沖激光的飛秒脈沖激光器， 沿該飛秒脈沖激光的傳輸路徑依次設置的延時單元和光導探針； 用于輸出所述第二微波信號的參考信號輸出端； 用于輸入與所述飛秒脈沖激光同步的超快脈沖信號的超快脈沖信號輸入端； 沿該超快脈沖信號的傳輸路徑依次設置的同軸到共面轉換器和共面波導，相對于所述共面波導的位置設置有一光導探針，為使得所述經延時單元延時的飛秒脈沖激光激勵所述光導探針在所述共面波導產生的超快脈沖電場作用下產生光敏電流；和 鎖相放大器，用于與所述延時單元的延時相應地對所述光敏電流進行采樣得到采樣信號。
2.根據權利要求1所述的一種用于超快脈沖時域波形測量的裝置，其特征在于:該測量裝置還包括函數發生器、功分器和超快脈沖調制器； 所述功分器將來自函數發生器的調制信號分為頻率相同的第一路信號和第二路信號; 所述超快脈沖調制器接基于所述第一路信號對來自所述輸入端的超快脈沖信號進行調制，并將經調制的超快脈沖信號輸出到所述同軸到共面轉換器； 所述鎖相放大器接收所述第二路信號作為其參考信號。
3.根據權利要求1所述的一種用于超快脈沖時域波形測量的裝置，其特征在于:該測量裝置還包括控制和計算單元， 所述控制和計算單元分別控制延時單元和鎖相放大器，以使所述飛秒脈沖激光的延時和鎖相放大器的采樣相對應，并基于等效取樣原理對所述采樣信號進行處理得到所述超快脈沖信號的時域波形。
4.根據權利要求1所述的一種用于超快脈沖時域波形測量的裝置，其特征在于:所述同軸到共面轉換器采用同軸到共面適配器。
5.根據權利要求4所述的一種用于超快脈沖時域波形測量的裝置，其特征在于:所述同軸到共面適配器與共面波導壓接。
6.根據權利要求1所述的一種用于超快脈沖時域波形測量的裝置，其特征在于:所述光導探針的光敏縫隙平面與共面波導的平面平行，且光導探針的光敏縫隙與共面波導表面之間的距離為5 μ m~10 μ m。
7.一種用于超快脈沖時域波形測量的方法，其特征在于:該方法包括 微波信號源輸出共時基的第一路微波信號和第二路微波信號； 利用飛秒脈沖激光器基于所述第一微波信號產生飛秒脈沖激光， 以所述第二微波信號作為參考信號得到與所述飛秒脈沖激光同步的超快脈沖信號； 將該超快脈沖信號進行同軸到共面轉換并傳輸至共面波導； 將該飛秒脈沖激光經延時后射入光導探針的光敏縫隙中，使得所述經延時單元延時的飛秒脈沖激光激勵所述光導探針在所述共面波導產生的超快脈沖電場作用下產生光敏電流； 與所述延時單元的延時相應地對所述光敏電流進行采樣得到采樣信號。
8.根據權利要求7中所述的一種用于超快脈沖時域波形測量的方法，其特征在于：該方法進一步包括： 利用函數發生器產生調制信號，并將該調制信號分為頻率相同的第一路信號和第二路信號， 基于所述第一路信號調制所述超快脈沖信號，以及 將所述第二路信號作為參考信號解調所述采樣信號。
9.根據權利要求7中所述的一種用于超快脈沖時域波形測量的方法，其特征在于：基于等效取樣原理對所述采樣信號進行處理得到所述超快脈沖信號的時域波形
10.根據權利要求7中所述的一種用于超快脈沖時域波形測量的方法，其特征在于：該方法進一步包括利用光學延時線對所述飛秒脈沖激光進行延時，并對延時后的飛秒脈沖激光進行聚焦。
【文檔編號】G01R13/02GK103529261SQ201310503608
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月23日 優先權日:2013年10月23日
【發明者】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