專利名稱：瞬態(tài)短光脈沖增益壓縮截取式波形采樣方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光波形測量方法，具體涉及一種基于半導(dǎo)體光放大器中增益壓縮效應(yīng)、可用于瞬態(tài)短光脈沖波形測量的截取式光采樣方法。
背景技術(shù)：
瞬態(tài)短光脈沖為時域波形半波全寬小于納秒級的單次光脈沖或周期較長的光脈沖序列。在脈沖序列中各脈沖之間間隔相差較大或各次脈沖波形不穩(wěn)定的前提下，對脈沖序列中單一脈沖的測量也可等效為瞬態(tài)短光脈沖測量。市售高速商用光取樣示波器或?qū)崟r示波器由于受制于內(nèi)部設(shè)計，售價通常達(dá)數(shù)十萬人民幣以上，并很難對帶寬超過IOOGHz的信號進(jìn)行高精度光取樣。目前對瞬態(tài)短光脈沖波形測量應(yīng)用最廣泛的測量手段是自相關(guān)儀，但是自相關(guān)儀在使用中通常需要預(yù)估被測脈沖波形，并將其和自相關(guān)數(shù)據(jù)擬合。而如果使用互相關(guān)儀通常也要一波形預(yù)知的相干信號。除自相關(guān)儀以外，電光條紋相機(jī)(SC)、二次諧波產(chǎn)生法(SHG)、頻率分辨光學(xué)門(FROG)以及光譜相位干涉直接電場重建法(SPIDER)等方法也可在外接脈沖復(fù)制光路的條件下實現(xiàn)對短光脈沖有效的進(jìn)行測量，但是這些裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度差且成本較高。近些年來出現(xiàn)的利用非線性光纖與KTP晶體(KTi0P04)等全光取樣方法雖然可克服以上困難，但是其對微弱信號的取樣效果較差。無法使用波形保持度較好、成本低廉的無源光學(xué)復(fù)制技術(shù)對瞬態(tài)脈沖進(jìn)行采樣前等間隔復(fù)制。利用半導(dǎo)體光放大器進(jìn)行光采樣不僅可以利用其內(nèi)部的非線性效應(yīng)實現(xiàn)高速采樣，而且可以提供額外的采樣增益?，F(xiàn)已有利用半導(dǎo)體光放大器進(jìn)行交叉增益調(diào)制采樣、交叉相位調(diào)制采樣與四波混頻采樣的報道。但是這些采樣手段對采樣控制脈沖源的要求較高，設(shè)備校準(zhǔn)較難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低成本、控制簡單、可靠性高的瞬態(tài)短光脈沖半導(dǎo)體光放大器增益壓縮截取式波形采樣方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種瞬態(tài)短光脈沖半導(dǎo)體光放大器增益壓縮截取式波形采樣方法，其特征在于，步驟為
步驟1、被測瞬態(tài)短光脈沖經(jīng)過可控光延遲線，以匹配外時序，隨后通過輸入輸出光耦合器進(jìn)入到一個由保偏光纖組成的保偏無源光纖環(huán)中，被測瞬態(tài)短光脈沖在環(huán)內(nèi)環(huán)行經(jīng)過輸入輸出光耦合器時，有部分能量輸出環(huán)外，由此產(chǎn)生了一個在時域上等間隔的脈沖序列；
步驟2、等間隔的脈沖序列進(jìn)入半導(dǎo)體光放大器，利用半導(dǎo)體光放大器在受到有較快上升沿脈沖調(diào)制時形成的具有較銳利前沿的開關(guān)窗口，對該脈沖序列中的每一個脈沖進(jìn)行截??；
步驟3、完成截取后的脈沖序列通過一個低速PIN光電管，完成光電轉(zhuǎn)換及脈沖展寬， 低速PIN光電管的帶寬越小，其產(chǎn)生的脈沖展寬比越大，同時輸出幅度越??；
步驟4、低速PIN光電管輸出的信號由后端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集得到脈沖能量包絡(luò)采樣數(shù)據(jù)，依據(jù)該數(shù)據(jù)得到被測瞬態(tài)短光脈沖的波形包絡(luò)。本發(fā)明提供的一種瞬態(tài)短光脈沖半導(dǎo)體光放大器增益壓縮截取式波形采樣方法通過利用半導(dǎo)體光放大器中的帶內(nèi)效應(yīng)與帶間效應(yīng)形成對被測信號的截取式采樣窗口。采樣過程簡單、調(diào)試容易、并利于對微弱信號進(jìn)行采樣。系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試優(yōu)化取值具有一定的魯棒性區(qū)間。采樣中控制脈沖產(chǎn)生部分相對于傳統(tǒng)采樣控制脈沖源成本與復(fù)雜性有所降低。而前端的無源脈沖復(fù)制器既可低失真地將被測瞬態(tài)脈沖復(fù)制成一個可供等效時間采樣的脈沖序列，同時也兼?zhèn)涞统杀九c易加工性。后端信號利用低速PIN光電管中的渡越延遲效應(yīng)，在光電變換過程中產(chǎn)生易于后端數(shù)據(jù)采集的較寬脈沖，其技術(shù)成熟、成本與可靠性俱佳。而在數(shù)據(jù)處理中采用逐次遞減加權(quán)方法及樣條插值波形回復(fù)方法實現(xiàn)簡單，并易于與 LabView等虛擬實驗平臺結(jié)合。綜上所述，本發(fā)明所述瞬態(tài)短光脈沖半導(dǎo)體光放大器增益壓縮截取式波形采樣方法具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、便于實現(xiàn)、測量效能優(yōu)異的特點，可以用于光電測量及相關(guān)領(lǐng)域。


圖1本發(fā)明實施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖2增益壓縮截取式波形采樣示意圖； 圖3后處理算法示意圖4實施例中不同控制脈沖幅度與增益壓縮過程的關(guān)系； 圖5實施例中半導(dǎo)體光放大器偏置電流與增益壓縮過程的關(guān)系； 圖6被測瞬態(tài)短光脈沖與測量結(jié)果對比圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以一優(yōu)選實施例，并配合附圖作詳細(xì)說明如下。結(jié)合圖1，本發(fā)明提供的一種瞬態(tài)短光脈沖半導(dǎo)體光放大器增益壓縮截取式波形采樣方法，其步驟為
步驟1、被測瞬態(tài)短光脈沖經(jīng)過可控光延遲線，以匹配外時序。完成該過程后，經(jīng)過一增益波動被鉗制的半導(dǎo)體光放大器(GC-SOA)進(jìn)行放大。該放大器同時在外接電控制信號的作用下起到一個光開光的作用，用以在被測瞬態(tài)短光脈沖輸入系統(tǒng)后到采樣過程完成前關(guān)斷后續(xù)光信號的輸入，避免形成對采樣過程的干擾。如果被測瞬態(tài)短光脈沖的幅度較大并且為單次脈沖，該增益波動被鉗制的半導(dǎo)體光放大器(GC-SOA)在系統(tǒng)實現(xiàn)中可以省略。隨后通過輸入輸出光耦合器進(jìn)入到一個由保偏光纖組成的保偏無源光纖環(huán)中，被測瞬態(tài)短光脈沖在環(huán)內(nèi)環(huán)行經(jīng)過輸入輸出光耦合器時，有部分能量輸出環(huán)外，由此產(chǎn)生了一個在時域上等間隔的脈沖序列。脈沖序列各脈沖之間的間隔由無源保偏光纖環(huán)的光纖長度確定，而其幅度變化規(guī)律由輸入輸出耦合器的分光比決定。步驟2、等間隔的脈沖序列逐次進(jìn)入半導(dǎo)體光放大器，當(dāng)其進(jìn)入后，控制脈沖信號依照與脈沖序列中每一個脈沖相同的時序進(jìn)入。結(jié)合圖2，當(dāng)該脈沖序列中的每一個脈沖行經(jīng)半導(dǎo)體光放大器時，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的等效時間采樣時序，相對能量較大的控制脈沖信號使半導(dǎo)體光放大器進(jìn)入深度飽和狀態(tài)，此時半導(dǎo)體光放大器接近無增益狀態(tài)。由于控制脈沖信號前沿較快，所以在其形成截取窗口前沿時主要是利用了半導(dǎo)體光放大器中由于載流子光譜燒孔及載流子加熱等帶內(nèi)效應(yīng)引起的非線性增益壓縮過程?？刂泼}沖信號的拖尾部分則通過對載流子的進(jìn)一步消耗抑制了由于載流子帶間效應(yīng)帶來的增益恢復(fù)。這樣只有在截取窗口前沿形成前通過的脈沖序列中的脈沖才能被放大，并被送往后端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。當(dāng)控制脈沖信號完全通過半導(dǎo)體光放大器后，其有源區(qū)的載流子通過帶間效應(yīng)逐漸恢復(fù)，形成采樣窗口的后沿。該后沿的形狀對采樣過程不會產(chǎn)生影響，只要能在下一個被測瞬態(tài)短光脈沖到達(dá)之前完成增益恢復(fù)即可。 增益恢復(fù)之后即可進(jìn)行下一個被測瞬態(tài)短光脈沖的輸入。該恢復(fù)時間可利用有源區(qū)載流子壽命計算得到，在系統(tǒng)中主要由半導(dǎo)體光放大器的偏置電流設(shè)定。當(dāng)被測脈沖序列下一次進(jìn)入半導(dǎo)體光放大器時，控制脈沖信號在時序上有一個定長的相對后延，被測脈沖序列被放大的部分在時域上較前一次有所增加。這樣在前后兩次放大過程中利用對應(yīng)時序上增益壓縮產(chǎn)生的相對位置偏移而產(chǎn)生了一個等效采樣窗口。根據(jù)這一流程，經(jīng)過每次采樣截取后形成的信號中僅包含了脈沖部分的能量包絡(luò)信息。其中，控制脈沖信號的初始脈沖源可選擇市售單價相對較為低廉、低時域抖動、脈沖寬度在數(shù)十皮秒級的半導(dǎo)體或光纖脈沖激光器，亦可通過外調(diào)制方式通過MZI調(diào)制器結(jié)合直流光激光器獲取。該激光器輸出的脈沖通過一段有較高色散系數(shù)的光子晶體光纖進(jìn)行展寬，并對脈沖前沿進(jìn)行壓縮，從而獲得增益壓縮采樣控制信號。如果欲獲得更快的上升沿，可采取反常預(yù)啁啾方法。但是這將額外增加系統(tǒng)成本，對于脈沖寬度在數(shù)皮秒以上的瞬態(tài)短光脈沖，普通半導(dǎo)體或光纖脈沖激光器結(jié)合光子晶體光纖已經(jīng)足以滿足采樣要求。該增益壓縮采樣控制信號為一具有較快上升沿、并具有一定長度拖尾的脈沖。設(shè)計時需要注意的是該段光子晶體光纖的參數(shù)需選取適當(dāng)，以避免脈沖波形惡化及產(chǎn)生不必要的非線性效應(yīng)。步驟3、完成截取后的脈沖序列通過一個低速PIN光電管，完成光電轉(zhuǎn)換及脈沖展寬，低速PIN光電管的帶寬越小，其產(chǎn)生的脈沖展寬比越大，同時輸出幅度越小。當(dāng)光子進(jìn)入低速PIN光電管的本征區(qū)后，產(chǎn)生電子空穴對。但是由于低速PIN光電管的本征區(qū)較長，所以產(chǎn)生的電子和空穴需要較長的時間穿越，尤其是空穴穿越本征區(qū)所需的時間更長。由此對輸入的截取后脈沖序列中的光脈沖產(chǎn)生了較大的展寬效應(yīng)。經(jīng)該 PIN展寬后脈沖序列中各脈沖的波形包絡(luò)與其對應(yīng)的輸入的能量包絡(luò)成正比。PIN的帶寬越小，其產(chǎn)生的脈沖展寬比越大，同時輸出幅度越小。所以在實際系統(tǒng)實現(xiàn)中可以利用校準(zhǔn)脈沖對PIN的響應(yīng)效果進(jìn)行預(yù)測試后，擇優(yōu)選取對應(yīng)被測輸入瞬態(tài)脈沖特性的PIN光電管。步驟4、低速PIN光電管輸出的信號由后端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集得到脈沖能量包絡(luò)采樣數(shù)據(jù)，依據(jù)該數(shù)據(jù)得到被測瞬態(tài)短光脈沖的波形包絡(luò)。其中，后端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可選用市售實時示波器與PCI數(shù)據(jù)采集卡等。其測量帶寬應(yīng)達(dá)到PIN光電管帶寬的4倍以上。依據(jù)脈沖能量包絡(luò)采樣數(shù)據(jù)得到被測瞬態(tài)短光脈沖的波形包絡(luò)的算法如圖3所示，其步驟為利用保形三次樣條插值得到對應(yīng)的能量包絡(luò)曲線，之后根據(jù)該曲線計算得到脈沖序列中各次脈沖截取采樣后的對應(yīng)光能量。由于前段無源脈沖復(fù)制器輸出的脈沖序列幅度呈線性下降，所以在計算時還需納入耦合輸出比的倒數(shù)。在完成以上工作后，將各次脈沖截取采樣后的對應(yīng)光能量依次相減，就可得到初始脈沖的波形包絡(luò)。可見較快的增益壓縮時間與較大的控制脈沖到達(dá)前后的增益差會使采樣過程效率更高。本實施例中不同控制脈沖幅度所對應(yīng)增益壓縮過程的如圖4所示(半導(dǎo)體光放大器偏置電流250mA條件下)。由圖中可見，當(dāng)控制脈沖幅度達(dá)到閾值以上后，即可獲得用以進(jìn)行脈沖截取、較為銳利的增益壓縮窗口。此時增益差約為600倍以上。而在一定范圍內(nèi)繼續(xù)加大控制脈沖幅度也不會惡化采樣窗口前沿。實施例中不同半導(dǎo)體光放大器偏置電流與增益壓縮過程的關(guān)系如圖5所示(控制脈沖幅度100mW)。由圖中可以看出，改變半導(dǎo)體光放大器偏置電流僅會改變增益差，而不會改變增益壓縮過程的銳利程度。具體操作中，可根據(jù)實際情況依據(jù)以上分析選取控制脈沖幅度與半導(dǎo)體光放大器偏置電流。對控制脈沖幅度及半導(dǎo)體光放大器偏置電流調(diào)整可通過光衰減器與半導(dǎo)體光放大器外圍電路實現(xiàn)，且參數(shù)優(yōu)化取值具有一定的魯棒性區(qū)間，這令增益壓縮截取式采樣過程較易優(yōu)化，容易實現(xiàn)高效率的脈沖等效時間采樣。由圖6可以看出，本設(shè)計的測量結(jié)果可以較好地反映原始脈沖波形。以下結(jié)合具體數(shù)據(jù)，給出一個較佳的實施方式。被測脈沖為脈沖半波全寬8ps的雙曲正割形脈沖，峰值幅度-3 cffim。其中采樣用半導(dǎo)體光放大器采用InGaAsP材料，有源區(qū)長度200微米，有源區(qū)厚度與高度分別為1. 5微米與0.2微米，有源區(qū)模場限制因子0.3。其輸入輸出采用尾纖方式，插入損耗0.3dB。半導(dǎo)體光放大器偏置電流由垂直于有源區(qū)中部的電極注入，透明載流子密度為lX 1024/m3，材料損耗為3X IO-2cVnT1t5該設(shè)計可滿足采樣用半導(dǎo)體光放大器關(guān)于增益與非線性的雙重要求?？刂泼}沖信號波長為1560納米，脈沖半波全寬25皮秒，幅度為100毫瓦，輸出波形為高斯形，結(jié)構(gòu)采用外觸發(fā)DFB激光器。該脈沖源采用Pilas EIG100D觸發(fā)控制模塊，重復(fù)頻率IMHz，時域抖動方均值500飛秒。脈沖邊緣銳化采用高色散雙包層光子晶體光纖。光纖外包層空氣孔排布采用本領(lǐng)域周知的等距六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，孔距2. 0微米、孔徑1. 8微米， 內(nèi)包層為標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合纖芯，孔距0.8微米。制作材料為石英玻璃，長度為100米，壓縮后的脈沖前沿為1.87皮秒(上升沿定義為脈沖幅度從10%躍升至90%的時間)。前端增益鉗制半導(dǎo)體光放大器同樣為InGaAsP材料，小信號增益22dB，極化增益誤差0. 5dB。用于時序匹配的可控光延遲線可采用General Photonics公司VariDelay-I型手動可調(diào)光延遲線，其插入損耗0.3 dB，在0-600皮秒范圍內(nèi)解析精度高于1皮秒，并可對接保偏光纖。PIN光電管PN 結(jié)截面積為3 X IO-12Hi2,本征區(qū)長度5 X 10_6米，寄生電感12 X 10_2 nH,結(jié)電容1. 5pf，等效帶寬約100MHz。保偏無源光纖環(huán)的輸入輸出耦合器需要在較大的頻譜范圍內(nèi)具有良好的平坦度。本實施例選擇OlsenTech OT-ffFSC 1 χ 2 PM型1 :9光耦合器作為無源保偏光纖環(huán)作為輸入輸出耦合器，該耦合器帶寬40nm，端口插入損耗小于0. ldB。而用于采樣脈沖上路復(fù)用的耦合器采用OlsenTech OT-ffFSC 1 χ 2 PM 50 :50耦合器，其帶寬亦為40nm，端口插入損耗小于0. ldB。系統(tǒng)中光濾波器采用Alnair公司出品的BVF-100-FA-PM可調(diào)濾波器，其工作波長及通帶帶寬可調(diào)。如果被測瞬態(tài)光脈沖光譜范圍能精確預(yù)制，亦可采用基于光纖光柵等器件的無源光帶通濾波器。用于構(gòu)造保偏光纖環(huán)與連接系統(tǒng)中各部件的保偏光纖需要具有較小的彎曲敏感度。本實施例采用康寧公司生產(chǎn)的低彎曲敏感保偏熊貓光纖(PANDA PM Bend Insensitive Specialty Optical Fibers)。其最大彎曲損耗為 0. 5dB，模場直徑 9. 5微米，易于在連接系統(tǒng)中各部件時降低耦合損耗。其與高色散光子晶體光纖的連接采用小電流多次放電熔接法。
權(quán)利要求
1.一種瞬態(tài)短光脈沖半導(dǎo)體光放大器增益壓縮截取式波形采樣方法，其特征在于，步驟為步驟1、被測瞬態(tài)短光脈沖經(jīng)過可控光延遲線，以匹配外時序，隨后通過輸入輸出光耦合器進(jìn)入到一個由保偏光纖組成的保偏無源光纖環(huán)中，被測瞬態(tài)短光脈沖在環(huán)內(nèi)環(huán)行經(jīng)過輸入輸出光耦合器時，有部分能量輸出環(huán)外，由此產(chǎn)生了一個在時域上等間隔的脈沖序列；步驟2、等間隔的脈沖序列進(jìn)入半導(dǎo)體光放大器，利用半導(dǎo)體光放大器在受到有較快上升沿脈沖調(diào)制時形成的具有較銳利前沿的開關(guān)窗口，對該脈沖序列中的每一個脈沖進(jìn)行截取；步驟3、完成截取后的脈沖序列通過一個低速PIN光電管，完成光電轉(zhuǎn)換及脈沖展寬， 低速PIN光電管的帶寬越小，其產(chǎn)生的脈沖展寬比越大，同時輸出幅度越小；步驟4、低速PIN光電管輸出的信號由后端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集得到脈沖能量包絡(luò)采樣數(shù)據(jù)，依據(jù)該數(shù)據(jù)得到被測瞬態(tài)短光脈沖的波形包絡(luò)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種瞬態(tài)短光脈沖半導(dǎo)體光放大器增益壓縮截取式波形采樣方法，其特征在于，若被測瞬態(tài)短光脈沖的脈沖幅度較小或不為單次脈沖，則在經(jīng)過所述步驟1中的可控光延遲線后，經(jīng)過一增益波動被鉗制的半導(dǎo)體光放大器進(jìn)行放大，該半導(dǎo)體光放大器同時在外接電控制信號的作用下起到一個光開光的作用，用以在被測瞬態(tài)短光脈沖輸入后到采樣過程完成前關(guān)斷后續(xù)光信號的輸入，避免形成對采樣過程的干擾。
3.如權(quán)利要求1所述的一種瞬態(tài)短光脈沖半導(dǎo)體光放大器增益壓縮截取式波形采樣方法，其特征在于，步驟2中所述利用半導(dǎo)體光放大器在受到有較快上升沿脈沖調(diào)制時形成的具有較銳利前沿的開關(guān)窗口的具體步驟為在所述間隔的脈沖序列中的每一個脈沖逐次進(jìn)入半導(dǎo)體光放大器后，控制脈沖信號依照與脈沖序列中每一個脈沖相同的時序進(jìn)入， 由此，脈沖序列中的每一個脈沖只有在與其時序相同的控制脈沖信號的前沿進(jìn)入半導(dǎo)體光放大器之前的部分能被放大。
4.如權(quán)利要求3所述的一種瞬態(tài)短光脈沖半導(dǎo)體光放大器增益壓縮截取式波形采樣方法，其特征在于，完成截取后的脈沖序列在進(jìn)入步驟3所述的低速PIN光電管，需經(jīng)過一帶通光濾波器，該帶通光濾波器的通帶位于被測瞬態(tài)短光脈沖的波長上。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種瞬態(tài)短光脈沖半導(dǎo)體光放大器增益壓縮截取式波形采樣方法，其特征在于先將瞬態(tài)短光脈沖通過一個無源光纖環(huán)脈沖復(fù)制器復(fù)制成一個等間隔的脈沖序列，序列脈沖幅度按固定衰減比排布。之后根據(jù)由無源光纖環(huán)長度決定的脈沖序列時序，利用半導(dǎo)體光放大器對脈沖進(jìn)行截取。截取后的脈沖波形被送到一個帶寬為百兆級的PIN光電管，之后利用數(shù)據(jù)采集卡測量PIN光電管的輸出脈沖幅度，得到截取后脈沖的能量包絡(luò)，進(jìn)而結(jié)合無源光纖環(huán)脈沖復(fù)制器的復(fù)制幅度變化規(guī)律反推原始瞬態(tài)短光脈沖波形。本發(fā)明提供的方法采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備要求不高并易于調(diào)試及集成化，可作為瞬態(tài)短光脈沖測量的有效手段。
文檔編號G01J11/00GK102297726SQ20111013835
公開日2011年12月28日 申請日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月26日
發(fā)明者楊義, 肖中銀, 葛華勇, 許文凱 申請人:上海大學(xué), 東華大學(xué)