基于光学时间拉伸的高速实时示波器及其采样量化方法与流程

本发明属于光电技术领域，具体的说是涉及一种基于光学时间拉伸的高速实时示波器及其采样量化方法。

背景技术：

高速宽带的实时示波器在雷达系统、超高速数字通信等系统中都有重要应用。然而，实时示波器中的关键器件——电子adc由于采样时间抖动和比较器不确定性，在高速率频段，其模拟带宽(采样速率)与量化精度存在着制约关系，因此很难同时实现大模拟带宽、高采样速率和高量化精度。例如：美国德州仪器公司的adc12j4000产品最高采样速率为4gs/s、3db模拟带宽为3.2ghz，量化位数为12bits，对600mhz和2.4ghz信号的有效位数分别为10.2bits和8.8bits。目前的高速实时示波器通常由多片电子adc通过时间交织的方法提升总体的有效采样速率，但是通道间的失配问题会带来精度的下降，因此采样速率和模拟带宽仍处于百gs/s和数十ghz水平(keysightdsoz634a最大采样速率为160gs/s,输入带宽为63ghz)，远不能满足高速信号的应用需求。随着锁模技术而提出的光学adc可以克服电子瓶颈，同时实现宽带、高速、高精度的突破。其中，光学时间拉伸adc利用光学色散的方法对高速微波信号进行时间拉伸降速和带宽压缩，再通过与拉伸后信号匹配的相对低速的电子adc实现模数转换，这样同时提高了电子adc的有效采样速率和有效模拟带宽。基于这样的原理，美国加州大学洛杉矶分校的jalali教授团队提出在实时示波器输入之前放置光学时间拉伸前端系统，以成倍地扩展示波器采样速率和模拟带宽，提高示波器对信号细节的观测能力。目前，该团队采用了50gs/s的实时示波器和41.27倍的时间拉伸光学预处理前端，实现了高达2ts/s的有效采样速率(w.ng,t.d.rockwood,g.a.sefler,andg.c.valley,“demonstrationofalargestretch-ratio(m＝41)photonicanalog-to-digitalconverterwith8enobforaninputsignalbandwidthof10ghz,”ieeephotonictech.l.24(14),1185-1187(2012).)。然而，这种技术方案通常采用传统孤子被动锁模光纤激光器作为光源，因此存在三个问题：第一，传统孤子光脉冲源输出光谱为双曲正割型，经过色散傅里叶变换映射到时域，形成双曲正割型的线性啁啾光脉冲包络，脉冲包络的不平坦会导致拉伸后信号的时域失真。虽然可以通过互补双输出调制器进结果结合离线数字域处理算法进行消除，但是会增加系统的复杂性和响应时间，无法满足在线的波形显示和存储需求。第二，由于传统孤子光脉冲的光谱宽度有限，需要通过增加色散量以获得大的时间窗口宽度，但是大色散量会导致严重的色散功率代价，限制系统的有效模拟带宽。虽然这个问题可以通过单边带调制或者相位分集技术进行解决，但是离线的数字域处理同样必不可少，无法实现示波器的在线存储和显示功能。第三，传统孤子的单脉冲能量受限，在拉伸倍数较大时，脉冲功率衰减严重，需要加入光放大以保证足够的光功率输入探测器，但会引入额外的噪声，降低系统的信噪比，劣化精度。虽然采用具有平坦、宽谱特性的超连续谱光脉冲源可以解决前两个问题(j.h.wong,h.q.lam,k.e.k.lee,v.wong,p.h.lim,s.aditya,andp.p.shum,“generationofflatsupercontinuumfortime-stretchedanalog-to-digitalconverters,”inproceedingsofinternationalquantumelectronicsconferenceandconferenceonlasersandelectro-opticspacificrim,(ieee,2011),pp.c409.)，但是第三个问题仍然存在。上文提到的有效采样率为2ts/s的光学时间拉伸实时示波器中，采用了互补双输出mz调制器结合差分和arcsine算法进行了脉冲包络的消除和调制非线性失真的抑制，并利用掺铒光纤放大器进行了光功率补偿，最终实现了对10ghz模拟信号的采样量化，有效位数为4.38位(未采用数字滤波处理时)，但此技术方案结构较为复杂，并且无法实现信号的实时储存和显示。

技术实现要素：

本发明的目的是，针对上述三个问题，提出一种基于光学时间拉伸的高速实时示波器装置，可以实现高速宽带信号的实时存储和显示。与已有的基于光学时间拉伸实时示波器方案中采用传统孤子被动锁模光纤激光器作为光源不同，本方案采用耗散孤子被动锁模掺铒光纤激光器作为光学时间拉伸光源，其平坦光谱特性可以省略后续的去包络处理过程，宽光谱特性有利于获得更大的时间窗口，高光脉冲能量有助于提高系统信噪比，并且陡峭的光谱边沿可以减小时间拉伸后相邻脉冲的交叠，以获得更大的拉伸倍数。

本发明的技术方案是：基于光学时间拉伸的高速实时示波器，包括依次连接的耗散孤子被动锁模光纤激光器1、第一色散介质2、偏振控制器3、mz电光调制器4、第二色散介质5、光电探测器6、实时示波器7；其特征在于：

所述的耗散孤子被动锁模激光器1用于产生光谱平坦的耗散孤子超短光脉冲；

所述第一色散介质2用于将耗散孤子超短光脉冲进行色散傅里叶变换实现脉冲时间-波长的映射，产生线性啁啾光脉冲；

所述偏振控制器3和mz电光调制器4用于将输入的将线性啁啾光脉冲调制在光脉冲的包络上；

所述第二色散介质5用于将调制后的光载波与微波信号经过色散效应后实现同步拉伸；

所述光电探测器6用于对拉伸后的信号转换至电域，再输入到实时示波器7进行采样量化。

基于光学时间拉伸的高速实时示波器的采样量化方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、通过第一色散介质的色散效应对具有平坦光谱的耗散孤子锁模光脉冲进行时间拉伸，获得时域包络平坦的线性啁啾光载波；

b、利用push-pullmz电光调制器将待采样量化的高速模拟信号调制于线性啁啾光载波包络后，令光脉冲经过第二色散介质实现时间拉伸再输出；

c、采用光电探测器将步骤b输出信号转换至电域，再利用实时采样示波器完成采样和量化。

进一步的，步骤a中，所述耗散孤子锁模光脉冲的获取方法为：

a1、980nm泵浦光通过一个偏振相关的光学集成器件(pd-oic，polarization-dependentopticalintegratedcomponent)pump端入射，然后经过内部的偏振相关光隔离器反射薄膜反射通过common端逆时针进入环形腔；

a2、经过偏振控制器(pc，polarizationcontroller)后泵浦掺铒光纤(edf，er-dopedfiber)；

a3、产生的逆时针传输超短光脉冲从signal端输入pd-oic，90％经过pd-oic中的隔离器回到腔中逆时针传输，10％经过反射从tap端输出。

所述步骤a1和步骤a3中的pd-oic中集成了一个980nm/1550nm波分复用器(wdm，wavelengthdivisionmultiplex)和一个分光比为10:90的1550nm光耦合器分别用于实现泵浦光的注入和脉冲光的输出；一个1550nm偏振相关的光隔离器用于实现光的单向传输以及起偏和检偏功能。

进一步的，所述光脉冲经过第二色散介质实现时间拉伸的具体方法为：

所述调制后光脉冲通过第二色散介质后的拉伸倍数m为m＝(d1+d2)/d1，其中d1为步骤a所述第一色散介质的总色散量，d2为步骤b所述第二色散介质的总色散量。

本发明利用耗散孤子被动锁模光纤激光器作为时间拉伸光学前端的光源，由于光源的平坦宽光谱和高脉冲功率特性，仅采用单路拉伸即实现了载波包络不平坦性导致信号失真的抑制，同时获得较采样传统孤子脉冲光源方案更大的时间带宽积和信噪比。

本发明的有益效果为，本发明采用简易的光学时间拉伸前端结构，在提高系统时间带宽积和信噪比的同时，避免去包络处理并抑制包络不平坦性导致的失真。

附图说明

图1为一种基于光学时间拉伸的高速实时示波器装置结构示意图。

图2为一种耗散孤子锁模掺铒光纤激光器的环形腔结构图。

图3为耗散孤子光脉冲的输出光谱。

图4为传统孤子光脉冲的输出光谱。

图5为基于耗散孤子光脉冲源的光学时间拉伸实时示波器未进行去包络处理的输出信号时域图。

图6为基于传统孤子光脉冲源的光学时间拉伸实时示波器未进行去包络处理的输出信号时域图。

图7为基于耗散孤子光脉冲源的光学时间拉伸实时示波器未进行去包络处理的输出信号频谱图。

图8为基于传统孤子光脉冲源的光学时间拉伸实时示波器未进行去包络处理的输出信号频谱图。

具体实施方式

在发明内容部分已经对本发明的技术方案进行了详细描述，在此不再赘述。

在如图1所示的一种基于光学时间拉伸的高速实时示波器装置结构图中，耗散孤子被动锁模光纤激光器1产生具有平坦光谱特性的耗散孤子光脉冲，经过第一色散介质2，形成包络平坦的线性啁啾光脉冲。接着，依次经过偏振控制器3和线性偏置的mz电光调制器4将微波信号调制在光脉冲的包络上。调制后的光载波与微波信号通过第二色散介质5的色散效应实现同步拉伸，拉伸倍数为

m＝(d1+d2)/d1(1)

其中d1为第一色散介质2的总色散量，d2为第二色散介质5的总色散量。此时的微波信号速率和带宽均降低为原来的1/m。最后，拉伸后信号依次经过光电探测器6和实时示波器7完成光电转换和采样量化。

所述耗散孤子被动锁模光纤激光器产生耗散孤子光脉冲的结构和过程描述如下：在如图2所示的耗散孤子被动锁模光纤激光器环形腔结构图中，980nm泵浦光通过pd-oic11的pump端输入，经反射后从common端逆时针方向依次经过hi1060f尾纤13、作用于尾纤13上的pc12、edf14和smf-28尾纤15，然后从pd-oic的signal端输入pd-oic。其中，90％的光通过pd-oic中的隔离器回到腔中继续进行逆时针传输，10％的光经过pd-oic的反射从tap端输出。所述的pd-oic11中集成了一个980nm/1550nmwdm、一个1550nm偏振相关光隔离器和一个分光比为10:90的1550nm光耦合器，用来实现泵浦光的注入、光脉冲输出、光隔离以及起偏和检偏功能。通过合理地设置泵浦功率、腔内色散和pc偏振状态，经过一定循环圈数后，可以在pd-oic的tap端获得稳定的耗散孤子光脉冲输出。

通过图1所示实时示波器前端的光学时间拉伸预处理之后，高速微波信号的频率降低为原来的1/m，信号带宽降低为原来的1/m，因此实时示波器的有效采样速率和有效模拟带宽被同时提高了m倍。由于耗散孤子光脉冲具有较平坦的宽光谱特性，光脉冲经过第一段色散介质在群速度色散效应的作用下形成波长-时间映射，获得具有较大时间窗口且包络平坦的线性啁啾光脉冲载波。其中，大时间窗口能够提高系统记录信号的长度，平坦的脉冲包络可以减小包络不平坦导致的调制信号失真。同时，耗散孤子较传统孤子具有更高的单脉冲能量，拉伸后有利于获得更高的信噪比，而陡峭的光谱边缘可以减小拉伸后相邻脉冲的交叠。

实施例

下面结合图1和图2，以软件仿真结果为例进一步说明本发明。

本实施例中的耗散孤子被动锁模掺铒光纤激光器所采用的掺铒光纤、smf-28、hi1060f长度分别为12m、1m、2m，群速度色散系数β2分别为20.5ps²/km、-23ps²/km、-10ps²/km。按照图2的环形腔结构设置，经过500圈的腔内循环后，获得了稳定的耗散孤子光脉冲输出，图3为稳定输出时的耗散孤子脉冲光谱图，其中心波长为1555nm，3db谱宽为10nm，而7nm内的平坦度高达0.2db，且光谱上升沿和下降沿非常陡峭。

光学时间拉伸实时示波器结构中采用所获得的耗散孤子锁模光脉冲作为光源，经过1.3km的色散补偿光纤后，由一个偏置于线性偏置点的mz电光调制器将8.434ghz的微波信号调制于线性啁啾光脉冲的包络上，然后脉冲通过一段长度为16.9km的色散补偿光纤进行14倍的时间拉伸，接着由光电探测器进行光电转换，最后利用实时示波器完成采样和量化，得到数字化的拉伸信号。为了观察本发明方法相对于采用传统孤子锁模脉冲源的优越性，本实例还仿真得到了具有相同3db谱宽的双曲正割型传统孤子被动锁模光脉冲，其光谱如图4所示。图5和图6分别为采样耗散孤子光源和传统孤子光源经过14倍光学时间拉伸模数转换后的时域图，图7和图8分别为对应的频谱图，其中图5和图6中的点表示模数转换直接输出的信号，实线为由模数转换数据点正弦拟合得到的曲线。仿真中的调制系数设置为0.6，示波器采样速率为10gs/s，量化位数为6位。

由图7和图8可知，由于光学时间拉伸处理，微波信号频率由原来的8.434ghz降频至0.602ghz，示波器的有效采样速率提高至140gs/s。但是对比图6和图7可知，采用耗散孤子的方案中，由于光源频谱足够平坦，拉伸后信号时域失真很小，而采用传统孤子方案则存在明显的包络导致失真。取中心波长附近谱宽7nm范围内的模数转换数据计算有效位数(enob，effectivenumberofbits)，得到耗散孤子和传统孤子光源方案的enob分别为5.2bits和2.9bits。仿真结果表明，即使在不进行数字域去包络处理，采用具有平坦光谱特性的耗散孤子光源也可以对包络不平坦导致的信号失真有很好的抑制，因此可以实现信号的在线显示和存储。此外，通过调节耗散孤子锁模激光器环形腔内色散和pc状态，以及输出功率为196mw的980nm泵浦光，获得了重复频率为11.85mhz，3db谱宽为32.6nm，输出平均光功率为8dbm的耗散孤子光脉冲。如此高的脉冲能量保证了拉伸后信号的信噪比，因为即使在不使用光放大器的情况下，也可以获得足够的光功率输入光电探测器。

由具体实例可知，本发明提出了一种基于光学时间拉伸的高速实时示波器装置，它能够有效抑制脉冲包络不平坦性导致的信号失真，提高光学时间拉伸系统的时间窗口和信噪比，并实现系统结构和数字域处理过程的简化。