专利名称：高速光电实时示波系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及高速光电实时示波器，特别是ー种高速光电实时示波系统。
背景技术：
模数转换(Analog-to-digital conversion,ADC)是信息处理基本手段之一,无论在通信和非通信领域，模数转换都有重要的应用。由于受到“电子瓶颈”的限制，主要是电时钟的抖动水平的影响，电模数转换目前已无法满足宽带数字信号处理系统的要求。光子学技术具有宽带、高精度等特点，目前超短光脉冲的抖动已达到IOfs(飞秒)左右，具有显著提高模数转换性能的潜力。因此，随着锁模激光器技术的进步，硅基光子学的发展，各种光电器件性能的不断提高，光学模数转换引起广泛的关注，高速光电示波器的前景也越来越广阔。基于时域拉伸技术的理论和首个实验验证，最先由UC Davis的Brian H. Kolner教授等人在1989年提出，通过两根色散延迟光纤以及两根光纤之间的时间透镜(timelens)实现高速光信号的放大。美国UCLA的Jalali教授领导的小组在时间拉伸光模数转换(简称为0ADC)方面取得了引人注目的成果，其中单踪模式(single-shot，对脉冲时间抖动要求相对较低)下最高采样率达到lOTSa/s。2009年，Jalali教授研究组实验演示了超高速光电实时示波器样机，实时采样率为150GSa/s，模拟带宽达到48GHz。不过有效比特位较低，仅为2. 8，而且迄今为止仅演示了对单ー频率信号的监测，对于色散导致的全频宽范围内被采样信号的周期性衰落等问题尚未有效克服和解决。时间拉伸的基本原理是光脉冲先后经过第一段色散介质、第二段色散介质，虽然都经历高阶色散导致的非线性时间-波长映射，但由于高阶色散包含在D(X)中，因此拉伸倍数(时间展宽之比)受高阶色散导致的非线性影响很小。假设光脉冲的带宽为△入(上下限波长分别为入”入2)，色散介质的色散系数为D(X)，则经过第一段色散介质(长度为L1)后，脉冲宽度变为= L1X T1(A), (I)其中バ^)=为单位长度光纤上的光脉冲展宽。经过第二段色散介质(长度为L2)后，脉冲时间宽度变为t2 = L1X T j ( A ) +L2 X T2(A)(2)若前后色散介质具有相同的色散特性，S卩T1(入)=T2(入)，则前后脉冲时间宽度之比(Vt1)决定了时间拉伸倍数，即射频信号(RF)带宽压缩倍数M= (L^L2) /L2(3)光时分复用(简称为0TDM)和波分复用(简称为WDM)技术是目前较常用的提高光 脉冲采样时钟重复频率的方法，其中最为关键的问题是如何产生交织的高速光脉冲采样序列。OTDM将采样后的信号按照不同的时序，分配到各自的光路，每一路进行光电转换以及量化编码，这种方法可以得到很高的采样率，但是需要精确控制每一条光路的时序。WDM将采样后的信号进入波分解复用器，得到多路信号，每一路光脉冲序列代表某ー个特定的波长，这种方法相对容易实现，但是对激光源的要求较高，需要频谱跨越多个波长。
发明内容
本发明的目的在于针对现有光电实时示波器中光脉冲采样技术的不足，提供ー种高速光电实时示波系统，提高了信号模拟带宽，弥补了因色散带来的周期性衰落，动态修正外界环境引起的色散抖动、信号畸变和多通道复合误差，提高了时间测量精度。本发明原理如下
本发明将被动锁模光纤激光器发出的超稳定、超短光脉冲通过时间波长映射技术进行频率倍増后，依次经过色散介质，偏振控制器和光发大器，然后使用模拟带宽大、响应速率高的电光聚合物材料单臂双端输出电光调制器对微波RF信号进行调制。然后经时域复接模块，再通过色散介质使RF信号在时间上得到拉伸，紧接着通过波分复用器件，每路通道接入光电探测器，最后输入多通道模数转换器。同时还采用自适应反馈系统，实时修正外界环境干扰对色散介质的影响，保证系统精度。本发明的技术解决方案如下—种高速光电实时不波系统，其特点在于该系统的构成包括飞秒激光器，该飞秒激光器的光信号输出端接环形器的第一端ロ，该环形器的第二端ロ依次经第一波分复用器件、可调衰减器阵列、可调延迟线阵列和法拉第旋转镜阵列相连，所述环形器的第三端ロ接第一多波长稱合器的第一输入端，半导体激光器的第一输出端接所述的第一多波长稱合器的第二输入端，该第一波长稱合器的输出端经第一色散光纤接第一分光器的输入端，该第一分光器的第一输出端依次通过偏振控制器、光放大器、电光调制器和时域复接模块接第ニ多波长耦合器的第一输入端，所述的第一分光器的第二输出端接所述的第二多波长耦合器的第二输入端，所述的第二多波长耦合器的输出端经第二色散光纤接第二分光器的输入端，该第二分光器的第一输出端接相位延迟测试模块的第一输入端，该相位延迟测试模块的第二输入端接所述的半导体激光器的第二输出端，该相位延迟测试模块的输出端接相位延迟分析模块，该相位延迟分析模块的输出端接所述的飞秒激光器的第一输入端，所述的第二分光器的第二输出端依次经第二波分复用器件、光电探测器阵列接多通道电模数转换器的第一输入端；所述的飞秒激光器的电信号输出端接所述的多通道电模数转换器的第二输入端;所述的电光调制器的第二输入端接微波信号。所述的电光调制器为带宽大于等于60GHz的电光聚合物材料单臂双端输出电光调制器。所述的时域复接模块将所述的电光调制器的其中ー个输出端ロ延迟单通道光脉冲周期的一半后在时域拼接，并在同一段光纤中传输。 所述的单臂双端输出电光调制器双端ロ输出在功率上是互补的，在带宽范围内利用幅度补偿实现单通道信号重构，利用通道间的交叠部分，实现对通道间不匹配的校正，将校正后的各通道信号按照时序拼接得到被采样信号。所述的半导体激光器、第一多波长耦合器、第一色散光纤、第一分光器、第二多波长率禹合器、第二色散光纤，第二分光器、相位延迟测试模块和相位延迟分析模块构成自适应反馈子系统，用于实时检测和分析所述的第一色散光纤和第二色散光纤随外界环境引起的色散抖动量。当色散抖动量超过一定的抖动范围时，则相位延迟抖动分析模块将其所测的色散抖动反馈给飞秒激光器，使飞秒激光器改变重复频率，改变后的重复频率用作多通道模数转换器的触发信号对多通道电模数转换器进行触发。所述的飞秒激光器为被动锁模飞秒脉冲光纤激光器。所述的第一色散光纤和第二色散光纤是采用高色散系数的光纤(色散补偿光纤或光子晶体光纤)，用以减小光纤链路上传输损耗对系统信号与噪声比的恶化。
与现有技术相比，本发明的有益效果是I)采用谱分割与时间-波长映射技术，使通过环形器的第二端ロ的光脉冲信号依次经过波分复用器件(WDM)、可调衰减器阵列、可调延迟线阵列入射到法拉第旋转镜阵列后，再沿可调延迟线阵列、可调衰减器阵列、波分复用器件返回至环形器。光脉冲信号在可调衰减器阵列和可调延迟线阵列内往返一次，信号的衰减幅度和延时量均増大了一倍。同时，法拉第旋转镜阵列确保光的偏振态不发生变化。2)电光调制器选用模拟带宽大、响应速率高的电光聚合物材料单臂双端输出电光调制器，弥补色散导致的周期性衰落。材料使用聚合物材料代替传统的铌酸锂，实现大于60GHz的超大模拟带宽。3)后端时间重构技术利用电光调制器双端输出的互补特性去除RF信号周期性衰落，并且利用光采样时钟不同通道间的信号重叠部分获得通道间的增益和相位失配，从而进行多通道匹配校正和信号复合。4)采用色散拉伸技术可以有效的压缩微波(RF)信号的带宽，并且使得每个通道的采样率都满足奈奎斯特定律。采用波分复用技术，使得后端能采用多通道并行化电处理，可以降低电采样率，实现连续采样模式。5)采用的自适应反馈子系统，实现实时监测外界环境影响并反馈给系统主光源，动态实时修正外界环境(温度、震动等)引起的色散抖动、信号畸变、多通道复合误差，并且可以实时修正电子实时不波器的触发信号。
图I为高速光电实时示波系统的组成示意图。图中1-飞秒激光器，2-环形器，3-波分复用器件(WDM)，4_可调衰减器阵列，5-可调延迟线阵列，6-法拉第旋转镜阵列，7-第一多波长光耦合器，8-第一色散光纤，9-第一分光器，10-偏振控制器,11-光放大器,12-电光调制器,13-时域复接模块，14-第二多波长光稱合器，15-第二色散光纤，16-第二分光器,17-半导体激光器,18-相位延迟测试模块，19-相位延迟分析模块，20-波分复用模块，21-光电探测器阵列，22-多通道电模数转换器,23-微波信号。图2为单臂双端输出Mach-Zehnder电光调制器的组成示意图。图中121-电光调制器输入端ロ，122-电光调制器的单臂，23-微波信号，124-可调延迟线，125-光耦合器
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明作进ー步说明，但是不应以此限制本发明的保护范围。I.电光采样技术电光采样是通过电光调制器，把微波RF信号所携帯的信息加载到光采样时钟上。采用调制器偏置点动态校正模块(MBC)，抑制偏置点漂移。抑制技术采用普通的强度调制器，采样单臂啁啾双端输出调制方式。如图2所示，啁啾的光脉冲通过电光调制器的端ロ121进入并且分为第一路啁啾光脉冲信号和第二路啁啾光脉冲信号，微波信号23通过电光调制器的单臂122调制到第一路啁啾光脉冲信号上，再经过可调延迟线124使其延迟1/2个周期后与第二路啁啾光脉冲信号通过耦合器125进行复接。双端输出的光场强度可分别表示为
权利要求
1.ー种高速光电实时不波系统，其特征在于该系统的构成包括飞秒激光器(1)，该飞秒激光器(I)的光信号输出端接环形器(2)的第一端ロ，该环形器(2)的第二端ロ依次经第一波分复用器件(3)、可调衰减器阵列(4)、可调延迟线阵列(5)和法拉第旋转镜阵列(6)相连，所述环形器(2)的第三端ロ接第一多波长耦合器(7)的第一输入端，半导体激光器(17)的第一输出端接所述的第一多波长I禹合器(7)的第二输入端，该第一波长I禹合器(7)的输出端经第一色散光纤(8)接第一分光器(9)的输入端,该第一分光器(9)的第一输出端依次通过偏振控制器(10)、光放大器(11)、电光调制器(12)和时域复接模块(13)接第二多波长耦合器(14)的第一输入端,所述的第一分光器(9)的第二输出端接所述的第二多波长I禹合器(14)的第二输入端，所述的第二多波长耦合器(14)的输出端经第二色散光纤(15)接第二分 光器(16)的输入端，该第二分光器(16)的第一输出端接相位延迟测试模块(18)的第一输入端，该相位延迟测试模块(18)的第二输入端接所述的半导体激光器(17)的第二输出端，该相位延迟测试模块(18)的输出端接相位延迟分析模块(19)，该相位延迟分析模块(19)的输出端接所述的飞秒激光器(I)的第一输入端，所述的第二分光器(16)的第二输出端依次经第二波分复用器件(20)、光电探测器阵列(21)接多通道电模数转换器(22)的第一输入端； 所述的飞秒激光器(I)的电信号输出端接所述的多通道电模数转换器(22)的第二输入端; 所述的电光调制器(12)的第二输入端接微波信号(23)。
2.根据权利要求I所述的高速光电实时示波系统，其特征在于，所述的电光调制器(12)为模拟带宽大于等于60Hz的电光聚合物材料单臂双端输出电光调制器。
3.根据权利要求2所述的高速光电实时示波系统，其特征在干，所述的时域复接模块(13)将所述的电光调制器(12)的其中ー个输出端ロ延迟单通道光脉冲周期的一半后在时域拼接，并在同一段光纤中传输。
4.根据权利要求2所述的高速光电实时示波系统，其特征在干，所述的单臂双端输出电光调制器双端ロ输出在功率上是互补的，在带宽范围内利用幅度补偿实现单通道信号重构，利用通道间的交叠部分，实现对通道间不匹配的校正，将校正后的各通道信号按照时序拼接得到被采样信号。
5.根据权利要求1-4任一所述的高速光电实时示波系统，其特征在于，所述的半导体激光器(17)、第一多波长耦合器(7)、第一色散光纤(8)、第一分光器(9)、第二多波长耦合器(14)、第二色散光纤(15)，第二分光器(16)、相位延迟测试模块(18)和相位延迟分析模块(19)构成自适应反馈子系统，用于实时检测和分析所述的第一色散光纤(8)和第二色散光纤(15)随外界环境引起的色散抖动量； 当色散抖动量超过一定的抖动范围时，则相位延迟抖动分析模块(19)将其所测的色散抖动反馈给飞秒激光器，使所述的飞秒激光器(I)改变重复频率，改变后的重复频率用作所述的多通道电模数转换器(22)的触发信号对多通道电模数转换器(22)进行触发。
6.根据权利要求1-4任一所述的高速光电实时示波系统，其特征在于，所述的飞秒激光器(I)为被动锁模飞秒脉冲光纤激光器。
7.根据权利要求1-4任一所述的高速光电实时示波系统，其特征在于，所述的第一色散光纤(8)和第二色散光纤(15)是色散补偿光纤或光子晶体光纤，用以减小光纤链路上传输损耗对系统信号与噪声比的恶化。
全文摘要
一种高速光电实时示波系统，将飞秒激光器发出的超稳定、超短光脉冲通过时间波长映射技术进行频率倍增后，依次经色散介质，偏振控制器和光发大器，然后使用单臂双端输出电光调制器对微波RF信号进行调制；接下来经时域复接模块，再通过色散介质使RF信号在时间上得到拉伸，紧接着通过波分复用器件，每路通道接入光电探测器，最后输入多通道模数转换器。同时还采用自适应反馈系统，实时修正外界环境干扰对色散介质的影响，保证系统精度。本发明大大提高了信号模拟带宽，弥补了因色散带来的周期性衰落，动态修正外界环境引起的色散抖动、信号畸变和多通道复合误差，提高了时间测量精度，可望在光通信等领域获得广泛应用。
文档编号G02F1/035GK102645761SQ201210126659
公开日2012年8月22日 申请日期2012年4月26日 优先权日2012年4月26日
发明者卢加林, 吴龟灵, 周林杰, 邹卫平, 陈建平 申请人:上海交通大学