[发明专利]高速光电实时示波系统

说明书

技术领域

本发明涉及高速光电实时示波器，特别是一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10fs(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(time lens)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OADC)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10TSa/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一频率信号的监测，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(λ)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Δλ(上下限波长分别为λ₁、λ₂)，色散介质的色散系数为D(λ)，则经过第一段色散介质(长度为L₁)后，脉冲宽度变为：

t₁＝L₁×τ₁(λ)，(1)

其中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＝L₁×τ₁(λ)+L₂×τ₂(λ)             (2)

若前后色散介质具有相同的色散特性，即τ₁(λ)＝τ₂(λ)，则前后脉冲时间宽度之比(t₂/t₁)决定了时间拉伸倍数，即射频信号(RF)带宽压缩倍数：

M＝(L₁+L₂)/L₂           (3)

光时分复用(简称为OTDM)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一个特定的波长，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，提供一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增后，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：