取樣示波器瞬態(tài)響應(yīng)的光電校準(zhǔn)技術(shù)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(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100039；2.計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100039)

1 引 言

高速電子器件的性能指標(biāo)正在快速提高，頻率已經(jīng)超過(guò)100GHz。這類器件的測(cè)量通常使用純電子類設(shè)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(duì)較低，是理想的測(cè)量工具。但是，當(dāng)使用示波器表征高速電子器件，尤其是被測(cè)器件的帶寬接近示波器帶寬時(shí)，必須考慮示波器時(shí)間響應(yīng)的影響。

為了確定超快取樣示波器的時(shí)間響應(yīng)，需要采用更快的測(cè)量技術(shù)。基于飛秒激光器的光電技術(shù)利用了超短電壓脈沖的產(chǎn)生和探測(cè)，具有非常高的測(cè)量帶寬，能夠超過(guò)1THz[1]，并已經(jīng)應(yīng)用于平面?zhèn)鬏斁€[2]、超快晶體管[3]以及微波探針[4]的表征，該技術(shù)適用于超快取樣示波器的校準(zhǔn)。

英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)和德國(guó)物理技術(shù)研究院(PTB)是國(guó)際上最為著名的國(guó)家計(jì)量機(jī)構(gòu)。這三家機(jī)構(gòu)都已具備用于超快取樣示波器表征的光電技術(shù)。迄今為止，NPL和PTB已經(jīng)開(kāi)展了階躍響應(yīng)上升時(shí)間的單參數(shù)表征研究[5-7]。NIST提出了一種電子學(xué)和光學(xué)相結(jié)合的方法，使對(duì)取樣示波器復(fù)傳遞函數(shù)的測(cè)量能力達(dá)到110GHz[8]。

本文提出一種表征取樣示波器時(shí)域特性的方法。該方法采用飛秒激光脈沖激勵(lì)低溫砷化鎵(LT-GaAs)光導(dǎo)開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生超短電壓脈沖，用來(lái)為被測(cè)取樣示波器提供校準(zhǔn)信號(hào)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

本文介紹的技術(shù)采用光導(dǎo)開(kāi)關(guān)作為電壓脈沖的產(chǎn)生器件，是實(shí)驗(yàn)裝置的核心部分，如圖1所示。光導(dǎo)開(kāi)關(guān)嵌在共面波導(dǎo)中。共面波導(dǎo)的金屬中心線的寬度為30μm，其中具有10μm長(zhǎng)的縫隙；共面波導(dǎo)的金屬地線的寬度為500μm，與中心線間隔20μm。共面波導(dǎo)采用金作為電極材料，并制備在LT-GaAs晶體上。共面波導(dǎo)的低頻特征阻抗為50Ω。

圖1 光導(dǎo)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical switch structure

使用兩臺(tái)飛秒激光器，分別用于超短電壓脈沖的泵浦和探測(cè)。泵浦激光波長(zhǎng)為780nm，探測(cè)激光波長(zhǎng)為1 560nm，兩臺(tái)激光器由鎖頻電路控制，實(shí)現(xiàn)同步。泵浦光聚焦至光導(dǎo)開(kāi)關(guān)縫隙處，由微波探針?biāo)虞d的直流電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生電壓脈沖，并沿波導(dǎo)傳輸。關(guān)于LT-GaAs中載流子的激勵(lì)機(jī)制和壽命等問(wèn)題，已經(jīng)有研究者進(jìn)行了詳細(xì)報(bào)道[8,9]。探測(cè)光聚焦在中心電極背面時(shí)，探測(cè)到波導(dǎo)傳輸?shù)碾妷好}沖，并反射至光電探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)電壓脈沖測(cè)量。本方法的特點(diǎn)是使用相同的器件同時(shí)進(jìn)行超快脈沖的產(chǎn)生和探測(cè)，不需要使用外電光探頭[10]。而且，泵浦和探測(cè)脈沖之間的相對(duì)時(shí)間變化由電動(dòng)平移臺(tái)實(shí)現(xiàn)，并溯源至長(zhǎng)度(或時(shí)間)，從而使該校準(zhǔn)能夠具備完善的溯源性。

3 校準(zhǔn)脈沖的產(chǎn)生和測(cè)量

為了表征具有同軸輸入端的電子設(shè)備，校準(zhǔn)用的電壓脈沖需要由共面波導(dǎo)轉(zhuǎn)換至同軸波導(dǎo)。本文使用微波探針實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)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(dǎo)中心電極處，則微波探針和共面波導(dǎo)組成了T型連接結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

由于電光取樣技術(shù)只能應(yīng)用在平面結(jié)構(gòu)上，無(wú)法在微波探針的同軸輸出端直接測(cè)量到電壓脈沖，所以本文將通過(guò)測(cè)量共面波導(dǎo)上的電壓脈沖來(lái)確定在微波探針端面處的電壓脈沖。

將探測(cè)光束聚焦至中心電極上T型連接處的背面，測(cè)得電壓脈沖Ein(t)，該脈沖會(huì)直接傳輸至微波探針中。該方法不需要使用共面波導(dǎo)與微波探針輸入端界面的反射系數(shù)，只需確定微波探針在共面波導(dǎo)上的具體位置。這種測(cè)量方法與之前采用外采樣頭進(jìn)行脈沖測(cè)量的方法相比[6,7]，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。然后，在微波探針的同軸終端連接一個(gè)短路器，使用同樣的電光取樣技術(shù)測(cè)量從短路器反射并傳播回來(lái)的電壓脈沖Eout(t)，該測(cè)量同樣是在T型連接處進(jìn)行。測(cè)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(guò)選擇足夠長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間窗口，使電壓脈沖Ein(t)和Eout(t)能夠在同一次掃描過(guò)程中獲得，從而確保兩者相對(duì)幅度關(guān)系的準(zhǔn)確。

圖2 測(cè)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(duì)Ein(t)和Eout(t)進(jìn)行傅立葉變換。假設(shè)實(shí)驗(yàn)中使用的微波探針和短路器都是理想的(即反射系數(shù)為-1)，那么微波探針同軸端的電壓脈沖可表示為[6,7]

(1)

計(jì)算得到的Ecoax(t)波形如圖3所示，F(xiàn)WHM為4.6ps。該波形能夠作為校準(zhǔn)取樣示波器的標(biāo)準(zhǔn)脈沖。對(duì)Ecoax(t)的結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單的不確定度來(lái)源分析。

1)雖然為了便于計(jì)算，在實(shí)驗(yàn)中假設(shè)反射系數(shù)為-1，但實(shí)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(shù)速度很快，但是電壓脈沖的電場(chǎng)強(qiáng)度在GaAs基底的深度方向上快速衰減，使得探測(cè)光束和電壓脈沖電場(chǎng)的作用長(zhǎng)度有限，約為幾十微米，所以該電光取樣的方法在時(shí)間上的分辨力是有限的；

3)在測(cè)量反射信號(hào)Eout(t)時(shí)，由于傳輸路徑有限，其主峰上可能會(huì)疊加Ein(t)中的部分信號(hào)，從而難以區(qū)分，使測(cè)得的Eout(t)偏大；

4)電光采樣系統(tǒng)中的噪聲、電光取樣方法的測(cè)量重復(fù)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(shí)間響應(yīng)

示波器時(shí)間響應(yīng)的表征過(guò)程通常如參考文獻(xiàn)[6,8]所述。在本文中，除了測(cè)量示波器階躍響應(yīng)的上升時(shí)間之外，還會(huì)獲得整個(gè)沖激響應(yīng)和階躍響應(yīng)。被測(cè)示波器為86100C的86118A模塊，其標(biāo)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(jìn)行測(cè)量。經(jīng)過(guò)對(duì)測(cè)得波形進(jìn)行多次平均、時(shí)基失真修正和抖動(dòng)修正處理后，所獲得的測(cè)量結(jié)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(yīng)[6]。示波器取樣頭的沖激響應(yīng)如圖5(a)所示，其FWHM為5.2ps。將沖激響應(yīng)對(duì)時(shí)間積分后，得到的階躍響應(yīng)如圖5(b)所示，其10%～90%上升時(shí)間為5.0ps。

圖4 取樣示波器校準(zhǔn)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(yīng)和階躍響應(yīng)的波形圖Fig.5 Waveforms of the sample oscilloscope impulse response and step response

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種產(chǎn)生和探測(cè)超短電壓脈沖的技術(shù)，并將該技術(shù)應(yīng)用于取樣示波器響應(yīng)的校準(zhǔn)。以飛秒激光作為激勵(lì)和探測(cè)手段，使用嵌在共面波導(dǎo)中的光導(dǎo)開(kāi)關(guān)作為超短電脈沖的產(chǎn)生器件，產(chǎn)生了滿足取樣示波器校準(zhǔn)要求的脈沖信號(hào)，并進(jìn)行了初步的不確定度來(lái)源分析。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的時(shí)基失真修正、抖動(dòng)修正、反卷積等處理之后，對(duì)86100C的86118A模塊(標(biāo)稱帶寬70GHz)進(jìn)行校準(zhǔn)，獲得其沖激響應(yīng)和階躍響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)取樣示波器瞬態(tài)響應(yīng)的完整校準(zhǔn)。在之后的研究中，可以通過(guò)細(xì)化不確定度評(píng)定，完善測(cè)量中背景噪聲的修正方法來(lái)進(jìn)一步提高校準(zhǔn)能力。