專利名稱：高速光電實(shí)時(shí)示波系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高速光電實(shí)時(shí)示波器，特別是ー種高速光電實(shí)時(shí)示波系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
模數(shù)轉(zhuǎn)換(Analog-to-digital conversion,ADC)是信息處理基本手段之一,無論在通信和非通信領(lǐng)域，模數(shù)轉(zhuǎn)換都有重要的應(yīng)用。由于受到“電子瓶頸”的限制，主要是電時(shí)鐘的抖動水平的影響，電模數(shù)轉(zhuǎn)換目前已無法滿足寬帶數(shù)字信號處理系統(tǒng)的要求。光子學(xué)技術(shù)具有寬帶、高精度等特點(diǎn)，目前超短光脈沖的抖動已達(dá)到IOfs(飛秒)左右，具有顯著提高模數(shù)轉(zhuǎn)換性能的潛力。因此，隨著鎖模激光器技術(shù)的進(jìn)步，硅基光子學(xué)的發(fā)展，各種光電器件性能的不斷提高，光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換引起廣泛的關(guān)注，高速光電示波器的前景也越來越廣闊。基于時(shí)域拉伸技術(shù)的理論和首個實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最先由UC Davis的Brian H. Kolner教授等人在1989年提出，通過兩根色散延遲光纖以及兩根光纖之間的時(shí)間透鏡(timelens)實(shí)現(xiàn)高速光信號的放大。美國UCLA的Jalali教授領(lǐng)導(dǎo)的小組在時(shí)間拉伸光模數(shù)轉(zhuǎn)換(簡稱為0ADC)方面取得了引人注目的成果，其中單蹤模式(single-shot，對脈沖時(shí)間抖動要求相對較低)下最高采樣率達(dá)到lOTSa/s。2009年，Jalali教授研究組實(shí)驗(yàn)演示了超高速光電實(shí)時(shí)示波器樣機(jī)，實(shí)時(shí)采樣率為150GSa/s，模擬帶寬達(dá)到48GHz。不過有效比特位較低，僅為2. 8，而且迄今為止僅演示了對單ー頻率信號的監(jiān)測，對于色散導(dǎo)致的全頻寬范圍內(nèi)被采樣信號的周期性衰落等問題尚未有效克服和解決。時(shí)間拉伸的基本原理是光脈沖先后經(jīng)過第一段色散介質(zhì)、第二段色散介質(zhì)，雖然都經(jīng)歷高階色散導(dǎo)致的非線性時(shí)間-波長映射，但由于高階色散包含在D(X)中，因此拉伸倍數(shù)(時(shí)間展寬之比)受高階色散導(dǎo)致的非線性影響很小。假設(shè)光脈沖的帶寬為△入(上下限波長分別為入”入2)，色散介質(zhì)的色散系數(shù)為D(X)，則經(jīng)過第一段色散介質(zhì)(長度為L1)后，脈沖寬度變?yōu)? L1X T1(A), (I)其中バ^)=為單位長度光纖上的光脈沖展寬。經(jīng)過第二段色散介質(zhì)(長度為L2)后，脈沖時(shí)間寬度變?yōu)閠2 = L1X T j ( A ) +L2 X T2(A)(2)若前后色散介質(zhì)具有相同的色散特性，S卩T1(入)=T2(入)，則前后脈沖時(shí)間寬度之比(Vt1)決定了時(shí)間拉伸倍數(shù)，即射頻信號(RF)帶寬壓縮倍數(shù)M= (L^L2) /L2(3)光時(shí)分復(fù)用(簡稱為0TDM)和波分復(fù)用(簡稱為WDM)技術(shù)是目前較常用的提高光 脈沖采樣時(shí)鐘重復(fù)頻率的方法，其中最為關(guān)鍵的問題是如何產(chǎn)生交織的高速光脈沖采樣序列。OTDM將采樣后的信號按照不同的時(shí)序，分配到各自的光路，每一路進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換以及量化編碼，這種方法可以得到很高的采樣率，但是需要精確控制每一條光路的時(shí)序。WDM將采樣后的信號進(jìn)入波分解復(fù)用器，得到多路信號，每一路光脈沖序列代表某ー個特定的波長，這種方法相對容易實(shí)現(xiàn)，但是對激光源的要求較高，需要頻譜跨越多個波長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有光電實(shí)時(shí)示波器中光脈沖采樣技術(shù)的不足，提供ー種高速光電實(shí)時(shí)示波系統(tǒng)，提高了信號模擬帶寬，彌補(bǔ)了因色散帶來的周期性衰落，動態(tài)修正外界環(huán)境引起的色散抖動、信號畸變和多通道復(fù)合誤差，提高了時(shí)間測量精度。本發(fā)明原理如下
本發(fā)明將被動鎖模光纖激光器發(fā)出的超穩(wěn)定、超短光脈沖通過時(shí)間波長映射技術(shù)進(jìn)行頻率倍増后，依次經(jīng)過色散介質(zhì)，偏振控制器和光發(fā)大器，然后使用模擬帶寬大、響應(yīng)速率高的電光聚合物材料單臂雙端輸出電光調(diào)制器對微波RF信號進(jìn)行調(diào)制。然后經(jīng)時(shí)域復(fù)接模塊，再通過色散介質(zhì)使RF信號在時(shí)間上得到拉伸，緊接著通過波分復(fù)用器件，每路通道接入光電探測器，最后輸入多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器。同時(shí)還采用自適應(yīng)反饋系統(tǒng)，實(shí)時(shí)修正外界環(huán)境干擾對色散介質(zhì)的影響，保證系統(tǒng)精度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下—種高速光電實(shí)時(shí)不波系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于該系統(tǒng)的構(gòu)成包括飛秒激光器，該飛秒激光器的光信號輸出端接環(huán)形器的第一端ロ，該環(huán)形器的第二端ロ依次經(jīng)第一波分復(fù)用器件、可調(diào)衰減器陣列、可調(diào)延遲線陣列和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡陣列相連，所述環(huán)形器的第三端ロ接第一多波長稱合器的第一輸入端，半導(dǎo)體激光器的第一輸出端接所述的第一多波長稱合器的第二輸入端，該第一波長稱合器的輸出端經(jīng)第一色散光纖接第一分光器的輸入端，該第一分光器的第一輸出端依次通過偏振控制器、光放大器、電光調(diào)制器和時(shí)域復(fù)接模塊接第ニ多波長耦合器的第一輸入端，所述的第一分光器的第二輸出端接所述的第二多波長耦合器的第二輸入端，所述的第二多波長耦合器的輸出端經(jīng)第二色散光纖接第二分光器的輸入端，該第二分光器的第一輸出端接相位延遲測試模塊的第一輸入端，該相位延遲測試模塊的第二輸入端接所述的半導(dǎo)體激光器的第二輸出端，該相位延遲測試模塊的輸出端接相位延遲分析模塊，該相位延遲分析模塊的輸出端接所述的飛秒激光器的第一輸入端，所述的第二分光器的第二輸出端依次經(jīng)第二波分復(fù)用器件、光電探測器陣列接多通道電模數(shù)轉(zhuǎn)換器的第一輸入端；所述的飛秒激光器的電信號輸出端接所述的多通道電模數(shù)轉(zhuǎn)換器的第二輸入端;所述的電光調(diào)制器的第二輸入端接微波信號。所述的電光調(diào)制器為帶寬大于等于60GHz的電光聚合物材料單臂雙端輸出電光調(diào)制器。所述的時(shí)域復(fù)接模塊將所述的電光調(diào)制器的其中ー個輸出端ロ延遲單通道光脈沖周期的一半后在時(shí)域拼接，并在同一段光纖中傳輸。 所述的單臂雙端輸出電光調(diào)制器雙端ロ輸出在功率上是互補(bǔ)的，在帶寬范圍內(nèi)利用幅度補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)單通道信號重構(gòu)，利用通道間的交疊部分，實(shí)現(xiàn)對通道間不匹配的校正，將校正后的各通道信號按照時(shí)序拼接得到被采樣信號。所述的半導(dǎo)體激光器、第一多波長耦合器、第一色散光纖、第一分光器、第二多波長率禹合器、第二色散光纖，第二分光器、相位延遲測試模塊和相位延遲分析模塊構(gòu)成自適應(yīng)反饋?zhàn)酉到y(tǒng)，用于實(shí)時(shí)檢測和分析所述的第一色散光纖和第二色散光纖隨外界環(huán)境引起的色散抖動量。當(dāng)色散抖動量超過一定的抖動范圍時(shí)，則相位延遲抖動分析模塊將其所測的色散抖動反饋給飛秒激光器，使飛秒激光器改變重復(fù)頻率，改變后的重復(fù)頻率用作多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器的觸發(fā)信號對多通道電模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行觸發(fā)。所述的飛秒激光器為被動鎖模飛秒脈沖光纖激光器。所述的第一色散光纖和第二色散光纖是采用高色散系數(shù)的光纖(色散補(bǔ)償光纖或光子晶體光纖)，用以減小光纖鏈路上傳輸損耗對系統(tǒng)信號與噪聲比的惡化。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是I)采用譜分割與時(shí)間-波長映射技術(shù)，使通過環(huán)形器的第二端ロ的光脈沖信號依次經(jīng)過波分復(fù)用器件(WDM)、可調(diào)衰減器陣列、可調(diào)延遲線陣列入射到法拉第旋轉(zhuǎn)鏡陣列后，再沿可調(diào)延遲線陣列、可調(diào)衰減器陣列、波分復(fù)用器件返回至環(huán)形器。光脈沖信號在可調(diào)衰減器陣列和可調(diào)延遲線陣列內(nèi)往返一次，信號的衰減幅度和延時(shí)量均増大了一倍。同時(shí)，法拉第旋轉(zhuǎn)鏡陣列確保光的偏振態(tài)不發(fā)生變化。2)電光調(diào)制器選用模擬帶寬大、響應(yīng)速率高的電光聚合物材料單臂雙端輸出電光調(diào)制器，彌補(bǔ)色散導(dǎo)致的周期性衰落。材料使用聚合物材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鈮酸鋰，實(shí)現(xiàn)大于60GHz的超大模擬帶寬。3)后端時(shí)間重構(gòu)技術(shù)利用電光調(diào)制器雙端輸出的互補(bǔ)特性去除RF信號周期性衰落，并且利用光采樣時(shí)鐘不同通道間的信號重疊部分獲得通道間的增益和相位失配，從而進(jìn)行多通道匹配校正和信號復(fù)合。4)采用色散拉伸技術(shù)可以有效的壓縮微波(RF)信號的帶寬，并且使得每個通道的采樣率都滿足奈奎斯特定律。采用波分復(fù)用技術(shù)，使得后端能采用多通道并行化電處理，可以降低電采樣率，實(shí)現(xiàn)連續(xù)采樣模式。5)采用的自適應(yīng)反饋?zhàn)酉到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測外界環(huán)境影響并反饋給系統(tǒng)主光源，動態(tài)實(shí)時(shí)修正外界環(huán)境(溫度、震動等)引起的色散抖動、信號畸變、多通道復(fù)合誤差，并且可以實(shí)時(shí)修正電子實(shí)時(shí)不波器的觸發(fā)信號。


圖I為高速光電實(shí)時(shí)示波系統(tǒng)的組成示意圖。圖中1-飛秒激光器，2-環(huán)形器，3-波分復(fù)用器件(WDM)，4_可調(diào)衰減器陣列，5-可調(diào)延遲線陣列，6-法拉第旋轉(zhuǎn)鏡陣列，7-第一多波長光耦合器，8-第一色散光纖，9-第一分光器，10-偏振控制器,11-光放大器,12-電光調(diào)制器,13-時(shí)域復(fù)接模塊，14-第二多波長光稱合器，15-第二色散光纖，16-第二分光器,17-半導(dǎo)體激光器,18-相位延遲測試模塊，19-相位延遲分析模塊，20-波分復(fù)用模塊，21-光電探測器陣列，22-多通道電模數(shù)轉(zhuǎn)換器,23-微波信號。圖2為單臂雙端輸出Mach-Zehnder電光調(diào)制器的組成示意圖。圖中121-電光調(diào)制器輸入端ロ，122-電光調(diào)制器的單臂，23-微波信號，124-可調(diào)延遲線，125-光耦合器
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)ー步說明，但是不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。I.電光采樣技術(shù)電光采樣是通過電光調(diào)制器，把微波RF信號所攜帯的信息加載到光采樣時(shí)鐘上。采用調(diào)制器偏置點(diǎn)動態(tài)校正模塊(MBC)，抑制偏置點(diǎn)漂移。抑制技術(shù)采用普通的強(qiáng)度調(diào)制器，采樣單臂啁啾雙端輸出調(diào)制方式。如圖2所示，啁啾的光脈沖通過電光調(diào)制器的端ロ121進(jìn)入并且分為第一路啁啾光脈沖信號和第二路啁啾光脈沖信號，微波信號23通過電光調(diào)制器的單臂122調(diào)制到第一路啁啾光脈沖信號上，再經(jīng)過可調(diào)延遲線124使其延遲1/2個周期后與第二路啁啾光脈沖信號通過耦合器125進(jìn)行復(fù)接。雙端輸出的光場強(qiáng)度可分別表示為
權(quán)利要求
1.ー種高速光電實(shí)時(shí)不波系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)的構(gòu)成包括飛秒激光器(1)，該飛秒激光器(I)的光信號輸出端接環(huán)形器(2)的第一端ロ，該環(huán)形器(2)的第二端ロ依次經(jīng)第一波分復(fù)用器件(3)、可調(diào)衰減器陣列(4)、可調(diào)延遲線陣列(5)和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡陣列(6)相連，所述環(huán)形器(2)的第三端ロ接第一多波長耦合器(7)的第一輸入端，半導(dǎo)體激光器(17)的第一輸出端接所述的第一多波長I禹合器(7)的第二輸入端，該第一波長I禹合器(7)的輸出端經(jīng)第一色散光纖(8)接第一分光器(9)的輸入端,該第一分光器(9)的第一輸出端依次通過偏振控制器(10)、光放大器(11)、電光調(diào)制器(12)和時(shí)域復(fù)接模塊(13)接第二多波長耦合器(14)的第一輸入端,所述的第一分光器(9)的第二輸出端接所述的第二多波長I禹合器(14)的第二輸入端，所述的第二多波長耦合器(14)的輸出端經(jīng)第二色散光纖(15)接第二分 光器(16)的輸入端，該第二分光器(16)的第一輸出端接相位延遲測試模塊(18)的第一輸入端，該相位延遲測試模塊(18)的第二輸入端接所述的半導(dǎo)體激光器(17)的第二輸出端，該相位延遲測試模塊(18)的輸出端接相位延遲分析模塊(19)，該相位延遲分析模塊(19)的輸出端接所述的飛秒激光器(I)的第一輸入端，所述的第二分光器(16)的第二輸出端依次經(jīng)第二波分復(fù)用器件(20)、光電探測器陣列(21)接多通道電模數(shù)轉(zhuǎn)換器(22)的第一輸入端； 所述的飛秒激光器(I)的電信號輸出端接所述的多通道電模數(shù)轉(zhuǎn)換器(22)的第二輸入端; 所述的電光調(diào)制器(12)的第二輸入端接微波信號(23)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高速光電實(shí)時(shí)示波系統(tǒng)，其特征在于，所述的電光調(diào)制器(12)為模擬帶寬大于等于60Hz的電光聚合物材料單臂雙端輸出電光調(diào)制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高速光電實(shí)時(shí)示波系統(tǒng)，其特征在干，所述的時(shí)域復(fù)接模塊(13)將所述的電光調(diào)制器(12)的其中ー個輸出端ロ延遲單通道光脈沖周期的一半后在時(shí)域拼接，并在同一段光纖中傳輸。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高速光電實(shí)時(shí)示波系統(tǒng)，其特征在干，所述的單臂雙端輸出電光調(diào)制器雙端ロ輸出在功率上是互補(bǔ)的，在帶寬范圍內(nèi)利用幅度補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)單通道信號重構(gòu)，利用通道間的交疊部分，實(shí)現(xiàn)對通道間不匹配的校正，將校正后的各通道信號按照時(shí)序拼接得到被采樣信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的高速光電實(shí)時(shí)示波系統(tǒng)，其特征在于，所述的半導(dǎo)體激光器(17)、第一多波長耦合器(7)、第一色散光纖(8)、第一分光器(9)、第二多波長耦合器(14)、第二色散光纖(15)，第二分光器(16)、相位延遲測試模塊(18)和相位延遲分析模塊(19)構(gòu)成自適應(yīng)反饋?zhàn)酉到y(tǒng)，用于實(shí)時(shí)檢測和分析所述的第一色散光纖(8)和第二色散光纖(15)隨外界環(huán)境引起的色散抖動量； 當(dāng)色散抖動量超過一定的抖動范圍時(shí)，則相位延遲抖動分析模塊(19)將其所測的色散抖動反饋給飛秒激光器，使所述的飛秒激光器(I)改變重復(fù)頻率，改變后的重復(fù)頻率用作所述的多通道電模數(shù)轉(zhuǎn)換器(22)的觸發(fā)信號對多通道電模數(shù)轉(zhuǎn)換器(22)進(jìn)行觸發(fā)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的高速光電實(shí)時(shí)示波系統(tǒng)，其特征在于，所述的飛秒激光器(I)為被動鎖模飛秒脈沖光纖激光器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的高速光電實(shí)時(shí)示波系統(tǒng)，其特征在于，所述的第一色散光纖(8)和第二色散光纖(15)是色散補(bǔ)償光纖或光子晶體光纖，用以減小光纖鏈路上傳輸損耗對系統(tǒng)信號與噪聲比的惡化。
全文摘要
一種高速光電實(shí)時(shí)示波系統(tǒng)，將飛秒激光器發(fā)出的超穩(wěn)定、超短光脈沖通過時(shí)間波長映射技術(shù)進(jìn)行頻率倍增后，依次經(jīng)色散介質(zhì)，偏振控制器和光發(fā)大器，然后使用單臂雙端輸出電光調(diào)制器對微波RF信號進(jìn)行調(diào)制；接下來經(jīng)時(shí)域復(fù)接模塊，再通過色散介質(zhì)使RF信號在時(shí)間上得到拉伸，緊接著通過波分復(fù)用器件，每路通道接入光電探測器，最后輸入多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器。同時(shí)還采用自適應(yīng)反饋系統(tǒng)，實(shí)時(shí)修正外界環(huán)境干擾對色散介質(zhì)的影響，保證系統(tǒng)精度。本發(fā)明大大提高了信號模擬帶寬，彌補(bǔ)了因色散帶來的周期性衰落，動態(tài)修正外界環(huán)境引起的色散抖動、信號畸變和多通道復(fù)合誤差，提高了時(shí)間測量精度，可望在光通信等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。
文檔編號G02F1/035GK102645761SQ201210126659
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月26日
發(fā)明者盧加林, 吳龜靈, 周林杰, 鄒衛(wèi)平, 陳建平 申請人:上海交通大學(xué)