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1、光电采样校准及其关键技术黄冬梅林茂六( 哈尔滨工业大学电子与通信工程系，哈尔滨，1 5 0 0 0 1 )摘要：本文介绍了一种新的高速波形数字化系统频率特性和过渡特性校准技术光电采样校准技术，详细阐述光电采样的系统结构及其关键技术。该技术可以克服传统的校准技术的缺点，可望达到更高的时间分辨率和电压敏感度。更重要的是它有可能成为宽带谐波相位溯源计量标准。关键字：光电采样校准宽带谐波相位标准E l e c t r o o p t i cS a m p l i n gC a l i b r a t i o na n dt h eC r a t i c a lT e c h n o l o g yH
2、u a n gD o n g m e iL i nM a o l i u( D e p a r t m e n to f e l e c t r o na n dc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g ，H e r b i nI n s t i t u t eo f T e c h n o l o g y ( H I T ) , 1 5 0 0 0 1 )A b s t r a c t ：T h i sp a p e rd e s c r i b e dan e wc a l i b r a t i n gt e c h n o l o g
3、 yt oc a l i b r a t et h em a g n i t u d ea n dp h a s er e s p o n s eo ft h ef a s td i g i t a lw a v e f o r mS y s t e m e l e c t m o p t i c a ls a m p l i n gc a l i b r a t i o n I tp a r t i c u l a r l yd e s c r i b e dt h es c h e m eo ft h i ss a m p l i n gs y s t e ma n di t sc r i
4、 t i c a lt e c h n o l o g i e s T h i st e c h n o l o g yh a ss o m ea d v a n t a g e so v e rt h ep r e v i o u s ，a n dt h et i m er e s o l u t i o na n dv o l t a g es e n s i t i v i t yo ft h i ss y s t e mi sb e t t e rt h e nt h ep r e v i o u sc a l i b r a t i n gt e c h n o l o g y F
5、u r t h e r m o r e i tm a yb e c o m et h em e a s u r e m e n ts t a n d a r dt 0t r a c et h ep h a s eo ft h eh a r m o n i e si nb r o a db a n di ns o m ed a y K e y w o r d s ：E l e c t r o - o p t i c a ls a m p l i n g ；c a l i b r a t i n g ；s t a n d a r do f h a r m o n i o u sp h a s ei
6、 nb r o a db a n d ，1背景近年来，取样技术的进步，推动超高速数字化系统性能迅速提高。然而超高速波形数字化系统频率特性和过渡特性的校准面临严峻的挑战。传统的校准技术( 取样电路详尽模型法、标准脉冲法、功率测量法) 已不能满足超高速的要求。2 0 世界9 0 年代H P 公司的K R u s h 等3 人提出了一种称之为“N o s e - t o N o s ec a l i b r a t i o n ”( N T N )的校准技术 9 一 1 1 ，这种技术不采用任何标准工具，只使用两台性能一致的超高速波形数字化系统，将它们的信号输入连接器直接对接起来，对系统复传递函数校
7、准。这种技术不再受当前电子技术水平的制约。但是它的幅度响应与功率测量法的幅度响应差别很大，在相位校准中存在着离散不稳定性，精度有限。虽然没有发现任何一种证据可以说明N T N 方法不可行，但是也没有一种办法核实总体的相位。随着光电( e l e c t r o o p t i c ) 取样已进入了实6 8 8用阶段。2 0 0 1 年美国N I S T ( N a t i o n a lI n s t i t u t eo fS t a n d a r d sa n dT e c h n o l o g y ) 将频域阻抗失配校准应用到光电采样系统中，提出了一种光电采样系统校准技术，用以校准超
8、高速波形数字化系统频率特性和过渡特性。这种技术用f s 数量级的脉冲去测量p s 数量级的高速电气设备，可以精确表征光接收机 的冲激响应，误差可以忽略：并有希望解决N T N 中存在的离散不稳定性问题。2 光电采样系统的基本构成利用电光晶体( 例如L i T a O 。) 存在的P o c k e l 效应，可以构建一个光电采样系统来重建超高速的电信号。图1 显示的是一个用来测量光接受器的冲激响应的光电采样系统示意图 1 。激光器产生约l O O f s 的光脉冲序列。经过分光器，将激光器的输出分成两个光束：“激励”光束和“采样”光束。激励束用来激励要测量的光接收器。这个光接收器存在一个可见光
9、的输入和一个同轴的电气输出。它由一一个长度很短的输入光纤，一个光电二极管，偏皇王型重量堡量兰塑2 0 0 5 年增刊置电路和电气匹配嘲络组成。当光接收器受到激励光束的照射后，在它的同轴输出端产生序列的电脉冲。由于光脉冲的宽度非常窄( f s 数量级) ，与光电二极管的响应时间( p s数量级) 相比非常地短，因此在同轴端输出的一序列电信号可以被认为是我们想要测量的光接收器的冲激响应。光接收器的冲激响应脉冲通过探头传输到共 面波导( C P W ) 上，这个共面波导( C P W ) 建立在沿y 轴切割的L i T a 0 3 电光晶片上，晶体的厚度为0 5 m m 。电气波形在C P W 中的
10、传播方向与L i T a O 。的x 轴方向平行。利用采样光束可以重建在C P W 中传输的电波形。利用采样光束，在晶体参考平面处，可以重建C P W中传输的不断重复的电信号。光电接收器、探头和测量参考平面前2 7 0 z m 长的共面波导可以看成是晶体源。采样光束经过一段可变时间的延迟，通过一+ 个与L i T a 0 3 的X 轴成4 5 度的线性起偏器，然后聚焦到共面波导的一个槽，穿过L i T a O ，晶体。如图l 所示。由于L i T a 0 3 晶体是一种电光晶体，存在着 电光效应，当采样光束通过晶体时，共面波导两个导体之间的电场对光束会产生横向电光调制，使透过的光束偏振态相对于
11、入射的光束的偏振态发生图1 光电采样系统示意图( 上部) ，最重要部分的示意图( 中部) 和电气等效电路( 底部)6 8 9变化。这种偏振态的变化与采样光束到达共面波导时刻共面波导导体之间的电压成正比，通过偏振态分析仪可以探测到偏振态的变化，这种测量不会对共面波导中传输的电信号产生任何的干扰。通过改变采样光束的延迟，可以逐渐的调整采样脉冲到达共面波导表面的相对时间。这样，就可以对晶体上的电信号进行采样，描述出它随时间变化的轨迹。3 关键技术3 1激光器的选择在任何一个光电采样系统中，连续的超短波光脉冲序列都是1 个关键的因素 2 。锁模N d 玻璃激光器可以产生具有p s 间隔的调Q 脉冲，但
12、是在不同次突发的脉冲之间不存在相关性。锁模彩色中心( c o l o r c e n t e r ) 激光器可以产生可调性的平均功率很高的脉冲，但是这种晶体的稳定性不好，并且必须采用由另一个锁模激光器同步泵浦的方式。连续波的锁模N d ：Y A G 激光器具有商业可利用性，并且非常可靠。脉冲压缩技术更有助了超短波脉冲源的发展。由于锁模环染色激光器( m o d e l o c k e dr i n gd y el a s e r ) 的进步，可见光谱部分的超短波光脉冲的产生已有很大的发展。由于锁模脉冲序列彼此之间的间隔是随机变化的，利用这些脉冲对任意波形的采样测量会反映出这种变化。对于I O
13、G H z 正弦信号，即使l O p s 的波动，转化成相位波动就是3 6 0 。针对要测量的信号，为了达到高信噪比的测量结果，要选择合适的激光器。3 2 共面波导的设计在，f ，衡微带传输线L I _ I ，当采样光束通过时会出现色散。因此要不断减小平衡微带传输线的尺寸 7 ，这就给制造工艺带来了很大的困难。而共面 波导( C P W ) 和共面微带线( C P S ) 在这方面存在优势。一般来说，他们相对平衡微带线容易制造，因为信号线和地线两者可以用相同的制造过程在相对较宽的底座的同一平面上制造。一个更大的优势是如果电极采用照相平版法制造，电极的尺寸可以被减少到微米的数量级，特别是电极的间
14、距，类似于平衡微带结构 ，底座的宽度，可以做到比平衡微带线小很多。这预示着，色散效应可以比以前减小很多 1 2 。但是在理论上，共面波导相对微带结构介绍的还很少。共面波导的截止频率、频率阻抗以及它对最终重建波形产生如何的影响都需要进一步的研究。3 3采样光束的延迟采样光束要通过段延迟支路，这样当它到达传输线时，可以精确的遇到由和它一模一样的脉冲激励产生的光电流波形。当每个采样脉冲通过共面波导的电场时，都会与光电流波形的一部分产生相互作用，并经历与电场幅度成正比的调制。对于两个光束之间指定的光路延迟，脉冲只“采样”到波形的一部分，因此采样光束的平均功率为常数。如果调整延迟，使采样光路径稍微长一点
15、，这样，采样光束到达传输线的时间就会晚一一点，就会与光电流波形的后一部分相互作用，因此采样光束的平均功率就会有变化，它表示了光电流波形后面一个时间点上的幅度。通过不断的调整激励光束和采样光束之间的相对路径长度，光接收器的等效冲激响应可以被采样光束通过共面波导后的平均功率映射出来。有几种实现相对光路延迟调整的方法 2 ，最常用的一种方法是在采样光路上增加一个建立在可机械调整平台上的立方角反射器。另一种方法是利用旋转的棱柱集合，光束在里面反射，通过不断变化的路径长度。但是这种方法需要较长的玻璃，会产生色散和线性问题。还有一种方法是利用两个光源，让它们以稍微不同的速度运行，采样光束可以不断地“漫步”
16、通过激励脉冲，而且不需要机械移动部分。3 4采样光束与传输线上的电气波形传输速度的匹配采样系统的时间分辨率是采样光脉冲和传输 的电信号通过晶体时的卷积时间确定的。如果两个信号是正交传输的，时间分辨率靠只是采样脉冲通过电场时的时间与电信号通过光束腰部( w a i s t ) 时间的卷积。通过让采样光束与传输线上的电气波 形传输速度的匹配，分辨率可以降低到光束腰部的 传输时间。在这种情况下，采样光束以一定的角度 入射到电光晶体中，使采样光的速度在与电场传输相同的方向产生一1 个分量。铲( c ) ( “ 一石s 岫)( 1 )其中c 是光在真空中的速度，n 是晶体的折射 率，占是晶体的有效电介常数，是电场宽度，倪 是入射光的入射角。3 5频域阻抗失百己校准理论及实现方法探头、共面波导和共面波导的终端都使光接收器输出的电脉冲产生失真。为了对此进行修正，利用 1 中描述的频域阻抗失配校准方法，首先在系统的同轴参考平面处，运行同轴频域短路一开路负载通过( s h o
