[发明专利]基于光学时间拉伸的高速实时示波器及其采样量化方法

说明书

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。本发明利用具有平坦宽光谱特性、大脉冲能量的耗散孤子被动锁模脉冲进行光学时间拉伸模数转换，即实现了电子实时示波器速率和模拟带宽的大幅度提升，又以简易的结构实现了光学预处理前端中脉冲包络不平坦导致信号失真的抑制，以及时间窗口和输出信噪比的提升。

技术领域

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(Keysight DSOZ634A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,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，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,“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。