太赫兹脉冲计量技术

　　1　引　言

　　太赫兹波是指频率范围在0. 1 THz到10 THz的电磁波,位于微波和红外光之间。近年来,太赫兹技术展现出了巨大的应用前景,如太赫兹成像、医疗、通信、安防、时域光谱、无损探测、工业控制、空间探测和保密通信等[1]。许多高速设备和器件的带宽已达太赫兹频段,如脉宽皮秒、带宽百吉赫兹的高端通信设备和器件[2],宽带取样示波器的3 dB带宽也已达100 GHz,高速光电探测器和高速脉冲产生器产生的脉宽或上升沿已达皮秒量级。准确测量时域响应需测定传递函数,包括3 dB带宽以外的幅度和相位信息。传统的无线电计量技术已无法满足要求,而结合光电技术的时域电光取样技术(EOS)的测量带宽可达数百吉赫兹,为太赫兹脉冲的计量提供了有效的手段[3]。近年来国际计量机构,如英国的NPL、美国的NIST和德国的PTB均开展了太赫兹脉冲计量技术的研究,并建立了相应的计量标准。太赫兹脉冲计量技术是涵盖微波、光学、电子学和计量学的新交叉学科,本文将对其进行全面的综述,主要内容涵盖宽带取样示波器、高速光电探测器和高速脉冲产生器的校准技术。

　　2　宽带取样示波器的校准

　　随着高频技术的发展,宽带取样示波器在测量超快高带宽的信号上应用越来越广泛。测量宽带取样示波器的冲击响应和幅频响应特性的方法主要有三类:1)扫频校准方法可准确溯源到功率计的校准,但它无法确定示波器频响中的相位信息;2)“Nose-to-nose”(NTN)方法需要三台示波器,两两配对测量,从而计算出每台示波器的幅频响应特性,但它方法依赖一些固有的假设,而且只对特定示波器有效;3)标准脉冲法比较直接,它通过从测量结果中反卷积分离标准脉冲的信息来确定示波器幅频响应。这种方法需要上升沿足够快、高频段具有足够能量的标准脉冲源。在满足上升时间校准的三倍关系条件下,上升沿快到15 ps的脉冲都远不能满足50GHz带宽取样示波器的校准,而且标准脉冲源自身也须经过校准。采用飞秒激光脉冲激励光导开关产生带宽高达几个太赫兹的超快脉冲,利用EOS技术对所产生的太赫兹脉冲进行准确测量,校准后的太赫兹脉冲可以应用于50 GHz以上的宽带取样示波器幅频响应的校准[4~6]。

　　PTB和NPL的装置相似,如图1所示, PC开关和阻抗50Ω的共面波导(CPW)集成一体,在衬底半绝缘砷化镓(GaAs)上用分子束外延生长了一层低温GaAs(LT-GaAs)。LT-GaAs的载流子寿命在亚皮秒量级,用飞秒激光激励加偏置后的PC开关来产生超快电脉冲。飞秒激光输出光束分为两束,一束作为超快脉冲的激励光,另一束为经可调延时装置的取样光束。将微波探头压在CPW上,使超快脉冲耦合到同轴电缆上。采用EOS技术来校准CPW上传输的超快脉冲波形,EOS作为一种高宽带超快电脉冲测量技术,由可调光学延时装置、偏振态测量系统和LiTaO3电光晶体探头组成。CPW上的电场通过Pockels效应,会改变电光晶体的双折射,从而使穿过晶体的取样光束偏振发生变化。可调光学延时装置可以改变取样光束相对于超快电脉冲的到达时间,再用偏振态测量系统对取样光束进行测量,就能够确定太赫兹脉冲的时域波形。EOS系统可溯源到光学延时装置的校准。