[發明專利]基于光學時間拉伸的高速實時示波器及其采樣量化方法

在審

• 申請號: 201711430842.0
• 申請日: 2017-12-26
• 公開（公告）號: CN108011282A
• 公開（公告）日: 2018-05-08
• 發明（設計）人: 劉永;彭迪;張旨遙;呂彥佳;李和平
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01S3/00
• 分類號: H01S3/00
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 孫一峰

本發明屬于光電技術領域，具體的說是涉及一種基于光學時間拉伸的高速實時示波器及其采樣量化方法。本發明利用具有平坦寬光譜特性、大脈沖能量的耗散孤子被動鎖模脈沖進行光學時間拉伸模數轉換，即實現了電子實時示波器速率和模擬帶寬的大幅度提升，又以簡易的結構實現了光學預處理前端中脈沖包絡不平坦導致信號失真的抑制，以及時間窗口和輸出信噪比的提升。

技術領域

本發明屬于光電技術領域，具體的說是涉及一種基于光學時間拉伸的高速實時示波器及其采樣量化方法。

背景技術

高速寬帶的實時示波器在雷達系統、超高速數字通信等系統中都有重要應用。然而，實時示波器中的關鍵器件——電子ADC由于采樣時間抖動和比較器不確定性，在高速率頻段，其模擬帶寬(采樣速率)與量化精度存在著制約關系，因此很難同時實現大模擬帶寬、高采樣速率和高量化精度。例如：美國德州儀器公司的ADC12J4000產品最高采樣速率為4GS/s、3dB模擬帶寬為3.2GHz，量化位數為12bits，對600MHz和2.4GHz信號的有效位數分別為10.2bits和8.8bits。目前的高速實時示波器通常由多片電子ADC通過時間交織的方法提升總體的有效采樣速率，但是通道間的失配問題會帶來精度的下降，因此采樣速率和模擬帶寬仍處于百GS/s和數十GHz水平(Keysight DSOZ634A最大采樣速率為160GS/s,輸入帶寬為63GHz)，遠不能滿足高速信號的應用需求。隨著鎖模技術而提出的光學ADC可以克服電子瓶頸，同時實現寬帶、高速、高精度的突破。其中，光學時間拉伸ADC利用光學色散的方法對高速微波信號進行時間拉伸降速和帶寬壓縮，再通過與拉伸后信號匹配的相對低速的電子ADC實現模數轉換，這樣同時提高了電子ADC的有效采樣速率和有效模擬帶寬?；谶@樣的原理，美國加州大學洛杉磯分校的Jalali教授團隊提出在實時示波器輸入之前放置光學時間拉伸前端系統，以成倍地擴展示波器采樣速率和模擬帶寬，提高示波器對信號細節的觀測能力。目前，該團隊采用了50GS/s的實時示波器和41.27倍的時間拉伸光學預處理前端，實現了高達2TS/s的有效采樣速率(W.Ng,T.D.Rockwood,G.A.Sefler,and G.C.Valley,“Demonstration of a large stretch-ratio(M＝41)photonic analog-to-digitalconverter with 8ENOB for an input signal bandwidth of 10GHz,”IEEE PhotonicTech.L.24(14),1185-1187(2012).)。然而，這種技術方案通常采用傳統孤子被動鎖模光纖激光器作為光源，因此存在三個問題：第一，傳統孤子光脈沖源輸出光譜為雙曲正割型，經過色散傅里葉變換映射到時域，形成雙曲正割型的線性啁啾光脈沖包絡，脈沖包絡的不平坦會導致拉伸后信號的時域失真。雖然可以通過互補雙輸出調制器進結果結合離線數字域處理算法進行消除，但是會增加系統的復雜性和響應時間，無法滿足在線的波形顯示和存儲需求。第二，由于傳統孤子光脈沖的光譜寬度有限，需要通過增加色散量以獲得大的時間窗口寬度，但是大色散量會導致嚴重的色散功率代價，限制系統的有效模擬帶寬。雖然這個問題可以通過單邊帶調制或者相位分集技術進行解決，但是離線的數字域處理同樣必不可少，無法實現示波器的在線存儲和顯示功能。第三，傳統孤子的單脈沖能量受限，在拉伸倍數較大時，脈沖功率衰減嚴重，需要加入光放大以保證足夠的光功率輸入探測器，但會引入額外的噪聲，降低系統的信噪比，劣化精度。雖然采用具有平坦、寬譜特性的超連續譜光脈沖源可以解決前兩個問題(J.H.Wong,H.Q.Lam,K.E.K.Lee,V.Wong,P.H.Lim,S.Aditya,andP.P.Shum,“Generation of flat supercontinuum for time-stretched analog-to-digital converters,”in Proceedings of International Quantum ElectronicsConference and Conference on Lasers and Electro-optics Pacific Rim,(IEEE,2011),pp.C409.)，但是第三個問題仍然存在。上文提到的有效采樣率為2TS/s的光學時間拉伸實時示波器中，采用了互補雙輸出MZ調制器結合差分和arcsine算法進行了脈沖包絡的消除和調制非線性失真的抑制，并利用摻鉺光纖放大器進行了光功率補償，最終實現了對10GHz模擬信號的采樣量化，有效位數為4.38位(未采用數字濾波處理時)，但此技術方案結構較為復雜，并且無法實現信號的實時儲存和顯示。