光采样 Optical sampling

2023-02-22 11:36:51 浏览:814

定义

光采样(也称为光电采样)是指使用光信号(通常以超短脉冲的形式)探测电信号的一类技术。 然而,有时光信号本身会被采样。

用于不同形式的光学采样的一些基本原则是:

  • 短光脉冲的持续时间限制了光与被测器件(DUT)相互作用的时间,被测器件可以是快速电子或光电电路,因此可以监测相互作用的影响,而无需非常快速的光电探测器。
  • 触碰到光电导开关的超短光脉冲可以在很短的时间内关闭电气连接(有时低于 1 ps)。 这可以用作非常快速的门(例如,在非常快速的模数转换器中),或用于产生极短的电流或电压脉冲(可用作测试信号)。
  • 典型的光信号采样技术基于通过非线性相互作用获得的一些互相关信号,例如非线性晶体中的克尔效应或光纤中的四波混合。

光学采样的特殊技术有:

  • 电光采样利用线性电光效应(也称为Pockels效应)来获得光和DUT的相互作用。
  • 光电导采样基于通过用短脉冲照射光导介质来短时间闭合电触点。
  • 基于光纤的光信号光采样[17](例如光纤通信系统中的快速位模式)利用了一些短采样脉冲通过光纤非线性与探测波形的非线性相互作用。 带通滤波器用于隔离非线性混频产物,随后用光电探测器检测。

在某些情况下,同时使用不同的技术。 例如,可以使用光电导开关产生高带宽微波信号,并通过电光采样分析其效果。

应用

光学采样的一些典型应用是:

  • 通过测量芯片上不同点的波形来测试集成电子电路 (IC) 或其他快速电子设备(例如微波电路) [4, 5]
  • 测量快速光电探测器的时间响应(带宽)
  • 采样率为数十千兆赫兹的模数转换(A/D 转换)[11],其中快速光电导开关允许多个电子 A/D 转换器交错操作;宽带雷达、光纤通信和超快示波器中的应用
  • 以极高的脉冲重复率表征超短脉冲序列,例如在时间复用光纤通信系统中发生
  • 太赫兹脉冲的测量波形 [6]
  • 太赫兹光谱,例如通过时域数据的傅里叶变换测量太赫兹透射光谱[7](比较太赫兹发射器和探测器之间有和没有吸收样品的光谱)
  • 使用光电导开关生成微波或毫米波信号,例如具有任意波形的突发

光学采样的主要吸引力是:

  • 极高的测量带宽,可轻松超过 1 THz (1000 GHz)
  • 能够在电子电路的任意点上进行测量,同时对被测设备的反向作用最小(特别是电光采样)
  • 全时域表征能力

同步与异步光学采样

当在时域中记录不同延迟时间的数据时,延迟时间通常通过光学延迟块来改变,例如通过电动平移台上的角立方棱镜实现。 然而,这种方法称为同步采样,限制了实现一系列延迟的速度,从而限制了记录整个传输频谱或类似频谱的速度。

通过异步采样,使用两个脉冲重复率略有不同的不同锁模激光器,可以更快地采集数据。 这会自动在两个脉冲之间提供时间变化的延迟。 脉冲重复率的差异决定了每秒扫描多少次测量间隔(由逆平均重复率给出)。 然而,这种有效扫描速率必须足够低,以允许足够高的时间分辨率,然后受到检测带宽(而不是脉冲持续时间)的限制。 高脉冲重复率会有所帮助,前提是它足够低以允许足够大的时间范围。

例如,使用两个 1 GHz 锁模激光器进行异步采样足以记录频率分辨率为 1 GHz 的太赫兹传输频谱,对应于 1 ns 的时间范围。 10 kHz 的重复频率差异意味着每秒可以记录 10 个频谱。 这允许人们每秒记录许多样品的数据(例如,获得位置相关的透射光谱甚至二维透射图像),或者在几秒钟内平均单个样品的许多光谱,从而将检测噪声降低到非常低的水平。 使用快速检测电子器件,可以在1秒内记录数千个传输光谱,范围从几乎为零到几太赫兹 。

异步采样方法可以以基本相同的方式应用于其他泵浦-探头测量,例如测量半导体可饱和吸收镜或类似结构的恢复动力学。

异步采样的另一个优点是避免了延迟时间和位置相关模式大小的机械噪声。 另一方面,所有优势显然都是以需要两个激光器而不是一个激光器为代价的。

参考文献

[1] M. A. Duguay and J. W. Hansen, “An ultrafast light gate”, Appl. Phys. Lett. 15, 192 (1969), doi:10.1063/1.1652962
[2] J. R. Andrews and R. A. Lawton, “Electrically strobed optical waveform sampling oscilloscope”, Rev. Sci. Instrum. 47 (3),311 (1976), doi:10.1063/1.1134611
[3] T. Kanada and D. L. Franzen, “Optical waveform measurement by optical sampling with a mode-locked laser diode”, Opt. Lett. 11 (1), 4 (1986), doi:10.1364/OL.11.000004
[4] J. Valdmanis and G. Mourou, “Subpicosecond electrooptic sampling: Principles and applications”, IEEE J. Quantum Electron. 22 (1), 69 (1986), doi:10.1109/JQE.1986.1072867
[5] K. J. Weingarten and D. M. Bloom, “Picosecond optical sampling of GaAs integrated circuits”, IEEE J. Quantum Electron. 24 (2), 198 (1988), doi:10.1109/3.115
[6] Ch. Fattinger and D. Grischkowsky, “Terahertz beams”, Appl. Phys. Lett. 54 (6), 490 (1989), doi:10.1063/1.100958
[7] D. Grischkowsky et al., “Far-infrared time-domain spectroscopy with terahertz beams of dielectrics and semiconductors”, J. Opt. Soc. Am. B 7 (10), 2006 (1990), doi:10.1364/JOSAB.7.002006
[8] C. H. Lee, “Picosecond optics and microwave technology”, IEEE Trans. Microwave Theory Technol. 38 (5), 596 (1990), doi:10.1109/22.54928
[9] K. S. Giboney et al., “Picosecond measurements by free-running electro-optic sampling”, IEEE Photon. Technol. Lett. 6 (11), 1353 (1994), doi:10.1109/68.334837
[10] A. Cutolo et al., “Selected contactless optoelectronic measurements for electronic applications”, Rev. Sci. Instrum. 69 ( 2), 337 (1998), doi:10.1063/1.1148752
[11] P. W. Juodawlkis et al., “Optically sampled analog-to-digital converters”, IEEE Trans. Microwave Theory Technol. 49 (10), 1840 (2001), doi:10.1109/22.954797
[12] L. Y. Nathawad, “A 40-GHz-bandwidth, 4-bit, time-interleaved A/D converter using photoconductive sampling”, IEEE J. Solid-State Circuits 38 (1), 2021 (2003), doi:10.1109/JSSC.2003.819172
[13] C. Dorrer et al., “Linear optical sampling”, IEEE Photon. Technol. Lett. 15 (12), 1746 (2003), doi:10.1109/LPT.2003.819729
[14] Y. Han and B. Jalali, “Photonic time-stretched analog-to-digital converter: fundamental concepts and practical considerations”, IEEE J. Lightwave Technol. 21 (12), 3085 (2003), doi:10.1109/JLT.2003.821731
[15] C. Schmidt-Langhorst and H.-G. Weber, “Optical sampling techniques”, J. Opt. Fiber Commun. Rep. 2, 86–114 (2005), doi:10.1007/s10297-005-0034-4
[16] P. Gaal et al., “Measuring optical frequencies in the 0–40 THz range with non-synchronized electro-optic sampling”, Nature Photon. 1, 577 (2007), doi:10.1038/nphoton.2007.170
[17] P. A. Andrekson and M. Westlund, “Nonlinear optical fiber based high resolution all-optical waveform sampling”, Laser Photon. Rev. 1 (3), 231 (2007), doi:10.1002/lpor.200710014

方法

作          者: 泮桥成像光电商城

出          处: https://www.ipanqiao.com/entry/1089

版          权:本文版权归泮桥成像光电商城所有

免责声明:本文中使用的部分文字内容与图片来自于网络,如有侵权,请联系作者进行删除。

转          载:欢迎转载,但必须保留上述声明;必须在文章中给出原文链接;否则必究法律责任。

Copyright © 2019-2022 南京超维景生物科技有限公司 版权所有 www.ipanqiao.com苏ICP备20009590号-1
联系我们
立即做合同
微信客服
电话咨询

400-998-9826

17302548620

快速留言

泮桥成像光电商城专业人员会在24小时之内联系您

关闭 提交