专利名称：瞬态短光脉冲增益压缩截取式波形采样方法
技术领域：
本发明涉及一种光波形测量方法，具体涉及一种基于半导体光放大器中增益压缩效应、可用于瞬态短光脉冲波形测量的截取式光采样方法。
背景技术：
瞬态短光脉冲为时域波形半波全宽小于纳秒级的单次光脉冲或周期较长的光脉冲序列。在脉冲序列中各脉冲之间间隔相差较大或各次脉冲波形不稳定的前提下，对脉冲序列中单一脉冲的测量也可等效为瞬态短光脉冲测量。市售高速商用光取样示波器或实时示波器由于受制于内部设计，售价通常达数十万人民币以上，并很难对带宽超过IOOGHz的信号进行高精度光取样。目前对瞬态短光脉冲波形测量应用最广泛的测量手段是自相关仪，但是自相关仪在使用中通常需要预估被测脉冲波形，并将其和自相关数据拟合。而如果使用互相关仪通常也要一波形预知的相干信号。除自相关仪以外，电光条纹相机(SC)、二次谐波产生法(SHG)、频率分辨光学门(FROG)以及光谱相位干涉直接电场重建法(SPIDER)等方法也可在外接脉冲复制光路的条件下实现对短光脉冲有效的进行测量，但是这些装置结构复杂、集成度差且成本较高。近些年来出现的利用非线性光纤与KTP晶体(KTi0P04)等全光取样方法虽然可克服以上困难，但是其对微弱信号的取样效果较差。无法使用波形保持度较好、成本低廉的无源光学复制技术对瞬态脉冲进行采样前等间隔复制。利用半导体光放大器进行光采样不仅可以利用其内部的非线性效应实现高速采样，而且可以提供额外的采样增益。现已有利用半导体光放大器进行交叉增益调制采样、交叉相位调制采样与四波混频采样的报道。但是这些采样手段对采样控制脉冲源的要求较高，设备校准较难。
发明内容
本发明的目的是提供一种低成本、控制简单、可靠性高的瞬态短光脉冲半导体光放大器增益压缩截取式波形采样方法。为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种瞬态短光脉冲半导体光放大器增益压缩截取式波形采样方法，其特征在于，步骤为
步骤1、被测瞬态短光脉冲经过可控光延迟线，以匹配外时序，随后通过输入输出光耦合器进入到一个由保偏光纤组成的保偏无源光纤环中，被测瞬态短光脉冲在环内环行经过输入输出光耦合器时，有部分能量输出环外，由此产生了一个在时域上等间隔的脉冲序列；
步骤2、等间隔的脉冲序列进入半导体光放大器，利用半导体光放大器在受到有较快上升沿脉冲调制时形成的具有较锐利前沿的开关窗口，对该脉冲序列中的每一个脉冲进行截取；
步骤3、完成截取后的脉冲序列通过一个低速PIN光电管，完成光电转换及脉冲展宽， 低速PIN光电管的带宽越小，其产生的脉冲展宽比越大，同时输出幅度越小；
步骤4、低速PIN光电管输出的信号由后端数据采集系统采集得到脉冲能量包络采样数据，依据该数据得到被测瞬态短光脉冲的波形包络。本发明提供的一种瞬态短光脉冲半导体光放大器增益压缩截取式波形采样方法通过利用半导体光放大器中的带内效应与带间效应形成对被测信号的截取式采样窗口。采样过程简单、调试容易、并利于对微弱信号进行采样。系统参数调试优化取值具有一定的鲁棒性区间。采样中控制脉冲产生部分相对于传统采样控制脉冲源成本与复杂性有所降低。而前端的无源脉冲复制器既可低失真地将被测瞬态脉冲复制成一个可供等效时间采样的脉冲序列，同时也兼备低成本与易加工性。后端信号利用低速PIN光电管中的渡越延迟效应，在光电变换过程中产生易于后端数据采集的较宽脉冲，其技术成熟、成本与可靠性俱佳。而在数据处理中采用逐次递减加权方法及样条插值波形回复方法实现简单，并易于与 LabView等虚拟实验平台结合。综上所述，本发明所述瞬态短光脉冲半导体光放大器增益压缩截取式波形采样方法具有结构简单、成本低廉、便于实现、测量效能优异的特点，可以用于光电测量及相关领域。
图1本发明实施例的系统结构图； 图2增益压缩截取式波形采样示意图； 图3后处理算法示意图4实施例中不同控制脉冲幅度与增益压缩过程的关系； 图5实施例中半导体光放大器偏置电流与增益压缩过程的关系； 图6被测瞬态短光脉冲与测量结果对比图。
具体实施例方式为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。结合图1，本发明提供的一种瞬态短光脉冲半导体光放大器增益压缩截取式波形采样方法，其步骤为
步骤1、被测瞬态短光脉冲经过可控光延迟线，以匹配外时序。完成该过程后，经过一增益波动被钳制的半导体光放大器(GC-SOA)进行放大。该放大器同时在外接电控制信号的作用下起到一个光开光的作用，用以在被测瞬态短光脉冲输入系统后到采样过程完成前关断后续光信号的输入，避免形成对采样过程的干扰。如果被测瞬态短光脉冲的幅度较大并且为单次脉冲，该增益波动被钳制的半导体光放大器(GC-SOA)在系统实现中可以省略。随后通过输入输出光耦合器进入到一个由保偏光纤组成的保偏无源光纤环中，被测瞬态短光脉冲在环内环行经过输入输出光耦合器时，有部分能量输出环外，由此产生了一个在时域上等间隔的脉冲序列。脉冲序列各脉冲之间的间隔由无源保偏光纤环的光纤长度确定，而其幅度变化规律由输入输出耦合器的分光比决定。步骤2、等间隔的脉冲序列逐次进入半导体光放大器，当其进入后，控制脉冲信号依照与脉冲序列中每一个脉冲相同的时序进入。结合图2，当该脉冲序列中的每一个脉冲行经半导体光放大器时，根据预先设定的等效时间采样时序，相对能量较大的控制脉冲信号使半导体光放大器进入深度饱和状态，此时半导体光放大器接近无增益状态。由于控制脉冲信号前沿较快，所以在其形成截取窗口前沿时主要是利用了半导体光放大器中由于载流子光谱烧孔及载流子加热等带内效应引起的非线性增益压缩过程。控制脉冲信号的拖尾部分则通过对载流子的进一步消耗抑制了由于载流子带间效应带来的增益恢复。这样只有在截取窗口前沿形成前通过的脉冲序列中的脉冲才能被放大，并被送往后端数据采集系统。当控制脉冲信号完全通过半导体光放大器后，其有源区的载流子通过带间效应逐渐恢复，形成采样窗口的后沿。该后沿的形状对采样过程不会产生影响，只要能在下一个被测瞬态短光脉冲到达之前完成增益恢复即可。 增益恢复之后即可进行下一个被测瞬态短光脉冲的输入。该恢复时间可利用有源区载流子寿命计算得到，在系统中主要由半导体光放大器的偏置电流设定。当被测脉冲序列下一次进入半导体光放大器时，控制脉冲信号在时序上有一个定长的相对后延，被测脉冲序列被放大的部分在时域上较前一次有所增加。这样在前后两次放大过程中利用对应时序上增益压缩产生的相对位置偏移而产生了一个等效采样窗口。根据这一流程，经过每次采样截取后形成的信号中仅包含了脉冲部分的能量包络信息。其中，控制脉冲信号的初始脉冲源可选择市售单价相对较为低廉、低时域抖动、脉冲宽度在数十皮秒级的半导体或光纤脉冲激光器，亦可通过外调制方式通过MZI调制器结合直流光激光器获取。该激光器输出的脉冲通过一段有较高色散系数的光子晶体光纤进行展宽，并对脉冲前沿进行压缩，从而获得增益压缩采样控制信号。如果欲获得更快的上升沿，可采取反常预啁啾方法。但是这将额外增加系统成本，对于脉冲宽度在数皮秒以上的瞬态短光脉冲，普通半导体或光纤脉冲激光器结合光子晶体光纤已经足以满足采样要求。该增益压缩采样控制信号为一具有较快上升沿、并具有一定长度拖尾的脉冲。设计时需要注意的是该段光子晶体光纤的参数需选取适当，以避免脉冲波形恶化及产生不必要的非线性效应。步骤3、完成截取后的脉冲序列通过一个低速PIN光电管，完成光电转换及脉冲展宽，低速PIN光电管的带宽越小，其产生的脉冲展宽比越大，同时输出幅度越小。当光子进入低速PIN光电管的本征区后，产生电子空穴对。但是由于低速PIN光电管的本征区较长，所以产生的电子和空穴需要较长的时间穿越，尤其是空穴穿越本征区所需的时间更长。由此对输入的截取后脉冲序列中的光脉冲产生了较大的展宽效应。经该 PIN展宽后脉冲序列中各脉冲的波形包络与其对应的输入的能量包络成正比。PIN的带宽越小，其产生的脉冲展宽比越大，同时输出幅度越小。所以在实际系统实现中可以利用校准脉冲对PIN的响应效果进行预测试后，择优选取对应被测输入瞬态脉冲特性的PIN光电管。步骤4、低速PIN光电管输出的信号由后端数据采集系统采集得到脉冲能量包络采样数据，依据该数据得到被测瞬态短光脉冲的波形包络。其中，后端数据采集系统可选用市售实时示波器与PCI数据采集卡等。其测量带宽应达到PIN光电管带宽的4倍以上。依据脉冲能量包络采样数据得到被测瞬态短光脉冲的波形包络的算法如图3所示，其步骤为利用保形三次样条插值得到对应的能量包络曲线，之后根据该曲线计算得到脉冲序列中各次脉冲截取采样后的对应光能量。由于前段无源脉冲复制器输出的脉冲序列幅度呈线性下降，所以在计算时还需纳入耦合输出比的倒数。在完成以上工作后，将各次脉冲截取采样后的对应光能量依次相减，就可得到初始脉冲的波形包络。可见较快的增益压缩时间与较大的控制脉冲到达前后的增益差会使采样过程效率更高。本实施例中不同控制脉冲幅度所对应增益压缩过程的如图4所示(半导体光放大器偏置电流250mA条件下)。由图中可见，当控制脉冲幅度达到阈值以上后，即可获得用以进行脉冲截取、较为锐利的增益压缩窗口。此时增益差约为600倍以上。而在一定范围内继续加大控制脉冲幅度也不会恶化采样窗口前沿。实施例中不同半导体光放大器偏置电流与增益压缩过程的关系如图5所示(控制脉冲幅度100mW)。由图中可以看出，改变半导体光放大器偏置电流仅会改变增益差，而不会改变增益压缩过程的锐利程度。具体操作中，可根据实际情况依据以上分析选取控制脉冲幅度与半导体光放大器偏置电流。对控制脉冲幅度及半导体光放大器偏置电流调整可通过光衰减器与半导体光放大器外围电路实现，且参数优化取值具有一定的鲁棒性区间，这令增益压缩截取式采样过程较易优化，容易实现高效率的脉冲等效时间采样。由图6可以看出，本设计的测量结果可以较好地反映原始脉冲波形。以下结合具体数据，给出一个较佳的实施方式。被测脉冲为脉冲半波全宽8ps的双曲正割形脉冲，峰值幅度-3 cffim。其中采样用半导体光放大器采用InGaAsP材料，有源区长度200微米，有源区厚度与高度分别为1. 5微米与0.2微米，有源区模场限制因子0.3。其输入输出采用尾纤方式，插入损耗0.3dB。半导体光放大器偏置电流由垂直于有源区中部的电极注入，透明载流子密度为lX 1024/m3，材料损耗为3X IO-2cVnT1t5该设计可满足采样用半导体光放大器关于增益与非线性的双重要求。控制脉冲信号波长为1560纳米，脉冲半波全宽25皮秒，幅度为100毫瓦，输出波形为高斯形，结构采用外触发DFB激光器。该脉冲源采用Pilas EIG100D触发控制模块，重复频率IMHz，时域抖动方均值500飞秒。脉冲边缘锐化采用高色散双包层光子晶体光纤。光纤外包层空气孔排布采用本领域周知的等距六边形蜂窝结构，孔距2. 0微米、孔径1. 8微米， 内包层为标准复合纤芯，孔距0.8微米。制作材料为石英玻璃，长度为100米，压缩后的脉冲前沿为1.87皮秒(上升沿定义为脉冲幅度从10%跃升至90%的时间)。前端增益钳制半导体光放大器同样为InGaAsP材料，小信号增益22dB，极化增益误差0. 5dB。用于时序匹配的可控光延迟线可采用General Photonics公司VariDelay-I型手动可调光延迟线，其插入损耗0.3 dB，在0-600皮秒范围内解析精度高于1皮秒，并可对接保偏光纤。PIN光电管PN 结截面积为3 X IO-12Hi2,本征区长度5 X 10_6米，寄生电感12 X 10_2 nH,结电容1. 5pf，等效带宽约100MHz。保偏无源光纤环的输入输出耦合器需要在较大的频谱范围内具有良好的平坦度。本实施例选择OlsenTech OT-ffFSC 1 χ 2 PM型1 :9光耦合器作为无源保偏光纤环作为输入输出耦合器，该耦合器带宽40nm，端口插入损耗小于0. ldB。而用于采样脉冲上路复用的耦合器采用OlsenTech OT-ffFSC 1 χ 2 PM 50 :50耦合器，其带宽亦为40nm，端口插入损耗小于0. ldB。系统中光滤波器采用Alnair公司出品的BVF-100-FA-PM可调滤波器，其工作波长及通带带宽可调。如果被测瞬态光脉冲光谱范围能精确预制，亦可采用基于光纤光栅等器件的无源光带通滤波器。用于构造保偏光纤环与连接系统中各部件的保偏光纤需要具有较小的弯曲敏感度。本实施例采用康宁公司生产的低弯曲敏感保偏熊猫光纤(PANDA PM Bend Insensitive Specialty Optical Fibers)。其最大弯曲损耗为 0. 5dB，模场直径 9. 5微米，易于在连接系统中各部件时降低耦合损耗。其与高色散光子晶体光纤的连接采用小电流多次放电熔接法。
权利要求
1.一种瞬态短光脉冲半导体光放大器增益压缩截取式波形采样方法，其特征在于，步骤为步骤1、被测瞬态短光脉冲经过可控光延迟线，以匹配外时序，随后通过输入输出光耦合器进入到一个由保偏光纤组成的保偏无源光纤环中，被测瞬态短光脉冲在环内环行经过输入输出光耦合器时，有部分能量输出环外，由此产生了一个在时域上等间隔的脉冲序列；步骤2、等间隔的脉冲序列进入半导体光放大器，利用半导体光放大器在受到有较快上升沿脉冲调制时形成的具有较锐利前沿的开关窗口，对该脉冲序列中的每一个脉冲进行截取；步骤3、完成截取后的脉冲序列通过一个低速PIN光电管，完成光电转换及脉冲展宽， 低速PIN光电管的带宽越小，其产生的脉冲展宽比越大，同时输出幅度越小；步骤4、低速PIN光电管输出的信号由后端数据采集系统采集得到脉冲能量包络采样数据，依据该数据得到被测瞬态短光脉冲的波形包络。
2.如权利要求1所述的一种瞬态短光脉冲半导体光放大器增益压缩截取式波形采样方法，其特征在于，若被测瞬态短光脉冲的脉冲幅度较小或不为单次脉冲，则在经过所述步骤1中的可控光延迟线后，经过一增益波动被钳制的半导体光放大器进行放大，该半导体光放大器同时在外接电控制信号的作用下起到一个光开光的作用，用以在被测瞬态短光脉冲输入后到采样过程完成前关断后续光信号的输入，避免形成对采样过程的干扰。
3.如权利要求1所述的一种瞬态短光脉冲半导体光放大器增益压缩截取式波形采样方法，其特征在于，步骤2中所述利用半导体光放大器在受到有较快上升沿脉冲调制时形成的具有较锐利前沿的开关窗口的具体步骤为在所述间隔的脉冲序列中的每一个脉冲逐次进入半导体光放大器后，控制脉冲信号依照与脉冲序列中每一个脉冲相同的时序进入， 由此，脉冲序列中的每一个脉冲只有在与其时序相同的控制脉冲信号的前沿进入半导体光放大器之前的部分能被放大。
4.如权利要求3所述的一种瞬态短光脉冲半导体光放大器增益压缩截取式波形采样方法，其特征在于，完成截取后的脉冲序列在进入步骤3所述的低速PIN光电管，需经过一带通光滤波器，该带通光滤波器的通带位于被测瞬态短光脉冲的波长上。
全文摘要
本发明提供了一种瞬态短光脉冲半导体光放大器增益压缩截取式波形采样方法，其特征在于先将瞬态短光脉冲通过一个无源光纤环脉冲复制器复制成一个等间隔的脉冲序列，序列脉冲幅度按固定衰减比排布。之后根据由无源光纤环长度决定的脉冲序列时序，利用半导体光放大器对脉冲进行截取。截取后的脉冲波形被送到一个带宽为百兆级的PIN光电管，之后利用数据采集卡测量PIN光电管的输出脉冲幅度，得到截取后脉冲的能量包络，进而结合无源光纤环脉冲复制器的复制幅度变化规律反推原始瞬态短光脉冲波形。本发明提供的方法采用的系统结构简单、设备要求不高并易于调试及集成化，可作为瞬态短光脉冲测量的有效手段。
文档编号G01J11/00GK102297726SQ20111013835
公开日2011年12月28日 申请日期2011年5月26日 优先权日2011年5月26日
发明者杨义, 肖中银, 葛华勇, 许文凯 申请人:上海大学, 东华大学