取样示波器瞬态响应的光电校准技术研究

刘 爽 谌 贝 谢 文 龚鹏伟,2 姜 河 马红梅杨春涛,2

(1.北京无线电计量测试研究所，北京 100039；2.计量与校准技术重点实验室，北京 100039)

1 引 言

高速电子器件的性能指标正在快速提高，频率已经超过100GHz。这类器件的测量通常使用纯电子类设备，其中最为常用的是取样示波器，它较为轻便、易使用，且成本相对较低，是理想的测量工具。但是，当使用示波器表征高速电子器件，尤其是被测器件的带宽接近示波器带宽时，必须考虑示波器时间响应的影响。

为了确定超快取样示波器的时间响应，需要采用更快的测量技术。基于飞秒激光器的光电技术利用了超短电压脉冲的产生和探测，具有非常高的测量带宽，能够超过1THz[1]，并已经应用于平面传输线[2]、超快晶体管[3]以及微波探针[4]的表征，该技术适用于超快取样示波器的校准。

英国国家物理实验室(NPL)、美国国家标准技术研究院(NIST)和德国物理技术研究院(PTB)是国际上最为著名的国家计量机构。这三家机构都已具备用于超快取样示波器表征的光电技术。迄今为止，NPL和PTB已经开展了阶跃响应上升时间的单参数表征研究[5-7]。NIST提出了一种电子学和光学相结合的方法，使对取样示波器复传递函数的测量能力达到110GHz[8]。

本文提出一种表征取样示波器时域特性的方法。该方法采用飞秒激光脉冲激励低温砷化镓(LT-GaAs)光导开关，产生超短电压脉冲，用来为被测取样示波器提供校准信号。

2 实验装置

本文介绍的技术采用光导开关作为电压脉冲的产生器件，是实验装置的核心部分，如图1所示。光导开关嵌在共面波导中。共面波导的金属中心线的宽度为30μm，其中具有10μm长的缝隙；共面波导的金属地线的宽度为500μm，与中心线间隔20μm。共面波导采用金作为电极材料，并制备在LT-GaAs晶体上。共面波导的低频特征阻抗为50Ω。

图1 光导开关结构示意图Fig.1 Schematic diagram of optical switch structure

使用两台飞秒激光器，分别用于超短电压脉冲的泵浦和探测。泵浦激光波长为780nm，探测激光波长为1 560nm，两台激光器由锁频电路控制，实现同步。泵浦光聚焦至光导开关缝隙处，由微波探针所加载的直流电场驱动，产生电压脉冲，并沿波导传输。关于LT-GaAs中载流子的激励机制和寿命等问题，已经有研究者进行了详细报道[8,9]。探测光聚焦在中心电极背面时，探测到波导传输的电压脉冲，并反射至光电探测器，实现电压脉冲测量。本方法的特点是使用相同的器件同时进行超快脉冲的产生和探测，不需要使用外电光探头[10]。而且，泵浦和探测脉冲之间的相对时间变化由电动平移台实现，并溯源至长度(或时间)，从而使该校准能够具备完善的溯源性。

3 校准脉冲的产生和测量

为了表征具有同轴输入端的电子设备，校准用的电压脉冲需要由共面波导转换至同轴波导。本文使用微波探针实现该转换，其输出端为1.85mm同轴，带宽67GHz。将其输入端接触在共面波导中心电极处，则微波探针和共面波导组成了T型连接结构，如图1所示。

由于电光取样技术只能应用在平面结构上，无法在微波探针的同轴输出端直接测量到电压脉冲，所以本文将通过测量共面波导上的电压脉冲来确定在微波探针端面处的电压脉冲。

将探测光束聚焦至中心电极上T型连接处的背面，测得电压脉冲Ein(t)，该脉冲会直接传输至微波探针中。该方法不需要使用共面波导与微波探针输入端界面的反射系数，只需确定微波探针在共面波导上的具体位置。这种测量方法与之前采用外采样头进行脉冲测量的方法相比[6,7]，具有明显的优势。然后，在微波探针的同轴终端连接一个短路器，使用同样的电光取样技术测量从短路器反射并传播回来的电压脉冲Eout(t)，该测量同样是在T型连接处进行。测得的电压脉冲波形如图2所示，其FWHM分别为2.6ps和5.3ps。通过选择足够长的测量时间窗口，使电压脉冲Ein(t)和Eout(t)能够在同一次扫描过程中获得，从而确保两者相对幅度关系的准确。

图2 测得电压脉冲Ein(t)和Eout(t)的波形图Fig.2 Waveform of the measured voltage pulse Ein(t)and Eout(t)

图3 探针同轴端输出电压脉冲Ecoax(t)的波形图Fig.3 Waveform of the probe coaxial output voltage pulse Ecoax(t)

然后对Ein(t)和Eout(t)进行傅立叶变换。假设实验中使用的微波探针和短路器都是理想的(即反射系数为-1)，那么微波探针同轴端的电压脉冲可表示为[6,7]

(1)

计算得到的Ecoax(t)波形如图3所示，FWHM为4.6ps。该波形能够作为校准取样示波器的标准脉冲。对Ecoax(t)的结果进行简单的不确定度来源分析。

1)虽然为了便于计算，在实验中假设反射系数为-1，但实际上Ecoax(t)要比理想情况下更大，且肯定小于Ein(t)；

2)虽然电光采样技术速度很快，但是电压脉冲的电场强度在GaAs基底的深度方向上快速衰减，使得探测光束和电压脉冲电场的作用长度有限，约为几十微米，所以该电光取样的方法在时间上的分辨力是有限的；

3)在测量反射信号Eout(t)时，由于传输路径有限，其主峰上可能会叠加Ein(t)中的部分信号，从而难以区分，使测得的Eout(t)偏大；

4)电光采样系统中的噪声、电光取样方法的测量重复性，微波探针与所连接的取样示波器之间的失配等。

4 取样示波器的时间响应

示波器时间响应的表征过程通常如参考文献[6,8]所述。在本文中，除了测量示波器阶跃响应的上升时间之外，还会获得整个冲激响应和阶跃响应。被测示波器为86100C的86118A模块，其标称带宽为70GHz，使用1.85mm同轴输入接头，截止频率67GHz。

将示波器取样头连接至微波探针的同轴端进行测量。经过对测得波形进行多次平均、时基失真修正和抖动修正处理后，所获得的测量结果如图4所示，其FWHM为6.9ps。然后，利用反卷积方法获得取样示波器的响应[6]。示波器取样头的冲激响应如图5(a)所示，其FWHM为5.2ps。将冲激响应对时间积分后，得到的阶跃响应如图5(b)所示，其10%～90%上升时间为5.0ps。

图4 取样示波器校准脉冲Eosci(t)的波形图Fig.4 Waveform of the sample oscilloscope calibration pulse Eosci(t)

图5 取样示波器的冲激响应和阶跃响应的波形图Fig.5 Waveforms of the sample oscilloscope impulse response and step response

5 结束语

本文介绍了一种产生和探测超短电压脉冲的技术，并将该技术应用于取样示波器响应的校准。以飞秒激光作为激励和探测手段，使用嵌在共面波导中的光导开关作为超短电脉冲的产生器件，产生了满足取样示波器校准要求的脉冲信号，并进行了初步的不确定度来源分析。经过进一步的时基失真修正、抖动修正、反卷积等处理之后，对86100C的86118A模块(标称带宽70GHz)进行校准，获得其冲激响应和阶跃响应，实现取样示波器瞬态响应的完整校准。在之后的研究中，可以通过细化不确定度评定，完善测量中背景噪声的修正方法来进一步提高校准能力。