取樣示波器瞬態響應的光電校準技術研究

劉 爽 諶 貝 謝 文 龔鵬偉,2 姜 河 馬紅梅楊春濤,2

(1.北京無線電計量測試研究所，北京 100039；2.計量與校準技術重點實驗室，北京 100039)

1 引 言

高速電子器件的性能指標正在快速提高，頻率已經超過100GHz。這類器件的測量通常使用純電子類設備，其中最為常用的是取樣示波器，它較為輕便、易使用，且成本相對較低，是理想的測量工具。但是，當使用示波器表征高速電子器件，尤其是被測器件的帶寬接近示波器帶寬時，必須考慮示波器時間響應的影響。

為了確定超快取樣示波器的時間響應，需要采用更快的測量技術。基于飛秒激光器的光電技術利用了超短電壓脈沖的產生和探測，具有非常高的測量帶寬，能夠超過1THz[1]，并已經應用于平面傳輸線[2]、超快晶體管[3]以及微波探針[4]的表征，該技術適用于超快取樣示波器的校準。

英國國家物理實驗室(NPL)、美國國家標準技術研究院(NIST)和德國物理技術研究院(PTB)是國際上最為著名的國家計量機構。這三家機構都已具備用于超快取樣示波器表征的光電技術。迄今為止，NPL和PTB已經開展了階躍響應上升時間的單參數表征研究[5-7]。NIST提出了一種電子學和光學相結合的方法，使對取樣示波器復傳遞函數的測量能力達到110GHz[8]。

本文提出一種表征取樣示波器時域特性的方法。該方法采用飛秒激光脈沖激勵低溫砷化鎵(LT-GaAs)光導開關，產生超短電壓脈沖，用來為被測取樣示波器提供校準信號。

2 實驗裝置

本文介紹的技術采用光導開關作為電壓脈沖的產生器件，是實驗裝置的核心部分，如圖1所示。光導開關嵌在共面波導中。共面波導的金屬中心線的寬度為30μm，其中具有10μm長的縫隙；共面波導的金屬地線的寬度為500μm，與中心線間隔20μm。共面波導采用金作為電極材料，并制備在LT-GaAs晶體上。共面波導的低頻特征阻抗為50Ω。

圖1 光導開關結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical switch structure

使用兩臺飛秒激光器，分別用于超短電壓脈沖的泵浦和探測。泵浦激光波長為780nm，探測激光波長為1 560nm，兩臺激光器由鎖頻電路控制，實現同步。泵浦光聚焦至光導開關縫隙處，由微波探針所加載的直流電場驅動，產生電壓脈沖，并沿波導傳輸。關于LT-GaAs中載流子的激勵機制和壽命等問題，已經有研究者進行了詳細報道[8,9]。探測光聚焦在中心電極背面時，探測到波導傳輸的電壓脈沖，并反射至光電探測器，實現電壓脈沖測量。本方法的特點是使用相同的器件同時進行超快脈沖的產生和探測，不需要使用外電光探頭[10]。而且，泵浦和探測脈沖之間的相對時間變化由電動平移臺實現，并溯源至長度(或時間)，從而使該校準能夠具備完善的溯源性。

3 校準脈沖的產生和測量

為了表征具有同軸輸入端的電子設備，校準用的電壓脈沖需要由共面波導轉換至同軸波導。本文使用微波探針實現該轉換，其輸出端為1.85mm同軸，帶寬67GHz。將其輸入端接觸在共面波導中心電極處，則微波探針和共面波導組成了T型連接結構，如圖1所示。

由于電光取樣技術只能應用在平面結構上，無法在微波探針的同軸輸出端直接測量到電壓脈沖，所以本文將通過測量共面波導上的電壓脈沖來確定在微波探針端面處的電壓脈沖。

將探測光束聚焦至中心電極上T型連接處的背面，測得電壓脈沖Ein(t)，該脈沖會直接傳輸至微波探針中。該方法不需要使用共面波導與微波探針輸入端界面的反射系數，只需確定微波探針在共面波導上的具體位置。這種測量方法與之前采用外采樣頭進行脈沖測量的方法相比[6,7]，具有明顯的優勢。然后，在微波探針的同軸終端連接一個短路器，使用同樣的電光取樣技術測量從短路器反射并傳播回來的電壓脈沖Eout(t)，該測量同樣是在T型連接處進行。測得的電壓脈沖波形如圖2所示，其FWHM分別為2.6ps和5.3ps。通過選擇足夠長的測量時間窗口，使電壓脈沖Ein(t)和Eout(t)能夠在同一次掃描過程中獲得，從而確保兩者相對幅度關系的準確。

圖2 測得電壓脈沖Ein(t)和Eout(t)的波形圖Fig.2 Waveform of the measured voltage pulse Ein(t)and Eout(t)

圖3 探針同軸端輸出電壓脈沖Ecoax(t)的波形圖Fig.3 Waveform of the probe coaxial output voltage pulse Ecoax(t)

然后對Ein(t)和Eout(t)進行傅立葉變換。假設實驗中使用的微波探針和短路器都是理想的(即反射系數為-1)，那么微波探針同軸端的電壓脈沖可表示為[6,7]

(1)

計算得到的Ecoax(t)波形如圖3所示，FWHM為4.6ps。該波形能夠作為校準取樣示波器的標準脈沖。對Ecoax(t)的結果進行簡單的不確定度來源分析。

1)雖然為了便于計算，在實驗中假設反射系數為-1，但實際上Ecoax(t)要比理想情況下更大，且肯定小于Ein(t)；

2)雖然電光采樣技術速度很快，但是電壓脈沖的電場強度在GaAs基底的深度方向上快速衰減，使得探測光束和電壓脈沖電場的作用長度有限，約為幾十微米，所以該電光取樣的方法在時間上的分辨力是有限的；

3)在測量反射信號Eout(t)時，由于傳輸路徑有限，其主峰上可能會疊加Ein(t)中的部分信號，從而難以區分，使測得的Eout(t)偏大；

4)電光采樣系統中的噪聲、電光取樣方法的測量重復性，微波探針與所連接的取樣示波器之間的失配等。

4 取樣示波器的時間響應

示波器時間響應的表征過程通常如參考文獻[6,8]所述。在本文中，除了測量示波器階躍響應的上升時間之外，還會獲得整個沖激響應和階躍響應。被測示波器為86100C的86118A模塊，其標稱帶寬為70GHz，使用1.85mm同軸輸入接頭，截止頻率67GHz。

將示波器取樣頭連接至微波探針的同軸端進行測量。經過對測得波形進行多次平均、時基失真修正和抖動修正處理后，所獲得的測量結果如圖4所示，其FWHM為6.9ps。然后，利用反卷積方法獲得取樣示波器的響應[6]。示波器取樣頭的沖激響應如圖5(a)所示，其FWHM為5.2ps。將沖激響應對時間積分后，得到的階躍響應如圖5(b)所示，其10%～90%上升時間為5.0ps。

圖4 取樣示波器校準脈沖Eosci(t)的波形圖Fig.4 Waveform of the sample oscilloscope calibration pulse Eosci(t)

圖5 取樣示波器的沖激響應和階躍響應的波形圖Fig.5 Waveforms of the sample oscilloscope impulse response and step response

5 結束語

本文介紹了一種產生和探測超短電壓脈沖的技術，并將該技術應用于取樣示波器響應的校準。以飛秒激光作為激勵和探測手段，使用嵌在共面波導中的光導開關作為超短電脈沖的產生器件，產生了滿足取樣示波器校準要求的脈沖信號，并進行了初步的不確定度來源分析。經過進一步的時基失真修正、抖動修正、反卷積等處理之后，對86100C的86118A模塊(標稱帶寬70GHz)進行校準，獲得其沖激響應和階躍響應，實現取樣示波器瞬態響應的完整校準。在之后的研究中，可以通過細化不確定度評定，完善測量中背景噪聲的修正方法來進一步提高校準能力。