CN104459594A - 一种高频微波探针复频特性的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高频微波探针复频特性的测量装置及方法，该装置包括飞秒激光源、分束镜、光学延迟线、斩波器、直流电压源、低温砷化镓光导开关、电光取样探头、短路器、渥拉斯顿棱镜、平衡光电探测器、锁相放大器、信号发生器、数据采集及处理单元。本发明所述技术方案可得到高频微波探针的复频特性，测量精度高，解决了针对现有测量技术无法精确测量高频微波探针传输特性的问题。

Description

一种高频微波探针复频特性的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种复频特性的测量装置及方法。更具体地，涉及一种高频微波探针复频特性的测量装置及方法。

背景技术

微波探针是共面型半导体集成电路在片检测的重要工具，使用微波探针在片检测技术，可在半导体芯片分割与封装之前，在芯片上直接测定集成电路或器件的高频特性，从而实现在片筛选，微波探针的使用对于改进管壳的微波封装和确定电路或器件的工作模型都具有重要的意义。在使用微波探针进行测试时，得到的数据实际包含了微波探针自身的复频特性，因此，要得到待测器件的真实参数，必须去除微波探针的影响，即对微波探针进行校准。目前，微波探针的校准方法主要是基于矢量网络分析仪的校准方法，这些方法都需要多个校准元件且对校准元件参数要求极为严格，而校准元件本身参数的精确匹配是很难得到的，因此使用矢量网络分析仪对微波探针进行校准仍然存在较大的误差。

因此，需要提供一种高频微波探针复频特性的测量装置及方法，可实现对高频微波探针复频特性的直观精确测量。

发明内容

本发明的目的在于提高一种高频微波探针复频特性的测量装置及方法，解决现有技术无法实现的高频微波探针测量问题，实现高频微波探针复频特性的直观精确测量。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种高频微波探针复频特性的测量装置，该装置包括

飞秒激光源，用于输出激光至分束镜；

分束镜，用于将激光分为泵浦光和取样光，并分别发送至斩波器和光学延迟线；

斩波器，用于对泵浦光进行调制，发送至低温砷化镓光电开关缝隙处，用于激励低温砷化镓光导开关产生太赫兹脉冲信号；

光学延迟线，用于改变取样光与泵浦光的相对延迟，发送至电光取样探头；

直流电压源，用于为低温砷化镓光导开关提供直流偏置电压；

低温砷化镓光导开关，用于产生太赫兹脉冲信号，发送至待测高频微波探针；

短路器，用于短路待测高频微波探针，并将来自待测高频微波探针的太赫兹脉冲信号反射回待测高频微波探针；

电光取样探头，用于通过取样光探测太赫兹脉冲信号，并将探测太赫兹脉冲信号的取样光发送至渥拉斯顿棱镜；

渥拉斯顿棱镜，用于将取样光分成o光和e光，并发送至平衡光电探测器；

平衡光电探测，用于将o光与e光分别照射进入平衡光电探测器两个探测窗口，并将输出信号发送至锁相放大器；

信号发生器，用于产生驱动斩波器的调制信号和锁相放大器的参考信号，并发送至斩波器和锁相放大器；

锁相放大器，用于接收信号进行锁相放大探测，并将信号发送至数据采集及处理单元；

数据采集及处理单元，用于采集输出信号并进行信号波形的测量和计算。

优选的，所述飞秒激光源为掺钛蓝宝石锁模激光器，输出激光波长780nm，脉冲宽度80fs，信号重复频率80MHz。

优选的，所述光学延迟线，长度为250mm。

优选的，所述信号发生器输出的脉冲信号调制频率为1.5KHz。

优选的，所述

电光取样探头与所述低温砷化镓光导开关缝隙距离为1.5mm；

待测高频微波探针与所述低温砷化镓光导开关缝隙距离为2mm处。

优选的，所述直流电压源输出偏置电压为10V。

优选的，所述平衡光电探测可实现o光和e光两路信号的低噪声共模抑制输出。

一种用于该测量装置的高频微波探针复频特性的测量方法，所述该方法包括

将所述电光取样探头平移至距离所述光导开关缝隙处1.5mm处，在不加入高频微波探针的状态下，测量得到太赫兹脉冲信号波形H(W1)；

将所述电光取样探头平移至距离所述光导开关缝隙处2mm处，在不加入高频微波探针的状态下，测量得到太赫兹脉冲信号波形H(W2)；

将所述电光取样探头平移至距离低温砷化镓光导开关缝隙1.5mm处，将高频微波探针同轴端接入短路器，共面端压于距离低温砷化镓光导开关缝隙2mm处，测量得到太赫兹脉冲信号波形H(W3)；

根据所得太赫兹脉冲信号波形H(W1)、H(W2)计算得到所述低温砷化镓光导开关的复频特性S_CPW；

根据所得太赫兹脉冲信号波形H(W1)、H(W3)和所述低温砷化镓光导开关的复频特性S_CPW计算得到所述高频微波探针的复频特性H_Probe；

所述低温砷化镓光导开关的复频特性S_CPW计算公式为：S_CPW＝H(W2)/H(W1)；

所述高频微波探针的复频特性H_Probe，计算公式为：

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案具有以下有益效果：

1、本发明采用泵浦-探测的方式实现高频微波探针的复频特性测量，解决了常规矢量网络分析仪测量法无法实现的高频微波复频特性的测量问题；

2、本发明采用低温砷化镓光导开关作为太赫兹脉冲信号源，可以产生超宽带的太赫兹脉冲信号，其带宽可达0.1THz以上，能够对待测高频微波探针相应超宽带范围内的复频特性进行测量；

3、本发明装置采用电光取样技术探测太赫兹脉冲信号，能够实现信噪比高、抖动小、无侵入式的测量且具有极高的测量精度。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明实施例中一种高频微波探针复频特性的测量装置结构图；

图2示出本发明实施例中一种高频微波探针复频特性的测量方法流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明公开了一种高频微波探针复频特性的测量装置，该装置包括飞秒激光源1、分束镜2、光学延迟线3、斩波器4、直流电压源5、低温砷化镓光导开关6、电光取样探头7、短路器9、渥拉斯顿棱镜10、平衡光电探测器11、锁相放大器12、信号发生器13、数据采集及处理装置14。

直流电压源5的正负电极分别连接在低温砷化镓光导开关6的信号电极一端与地电极上，飞秒激光源1输出的激光束经过分束镜2分为泵浦光与取样光，泵浦光经斩波器4调制后聚焦在低温砷化镓光导开关6缝隙上产生太赫兹脉冲，取样光经过光学延迟线3、电光取样探头7和渥拉斯顿棱镜10后照射在平衡光电探测器11两个窗口上实现信号取样，平衡光电探测器11的输出连接到锁相放大器12的信号输入端。信号发生器13输出信号分别输入到斩波器4及锁相放大器12参考输入端，锁相放大器12的输出信号输入到数据采集及处理装置14。

飞秒激光源1，用于输出飞秒激光束至分束镜2；

分束镜2，用于将激光束分为激励太赫兹脉冲信号的泵浦光和探测太赫兹脉冲信号的取样光，两束光分别输出至斩波器4和光学延迟线3；

斩波器4，用于对来自分束镜的泵浦光进行调制，经调制后的泵浦光被输出至低温砷化镓光导开关6缝隙处；

光学延迟线3，用于改变取样光与泵浦光的相对延迟，实现对太赫兹脉冲信号的同步取样探测，经延迟的取样光被输出至电光取样探头7；

直流电压源5，用于为低温砷化镓光导开关6产生太赫兹脉冲信号提供直流偏置电压；

低温砷化镓光导开关6，基于所述经调制后的泵浦光产生产生太赫兹脉冲信号，并将该太赫兹脉冲信号发送至待测高频微波探针8；

短路器9，用于将待测高频微波探针8同轴端短路，并将来自待测高频微波探针8的太赫兹脉冲信号反射回待测高频微波探针；

电光取样探头7，被设置为可相对所述低温砷化镓光导开关6及待测高频微波探针8平移，用于通过取样光探测来自待测高频微波探8的信号；

渥拉斯顿棱镜10，用于将来自所述电光取样探头7输出光分成o光和e光；

平衡光电探测器11，用于通过两个探测窗口分别接收来自所述渥拉斯顿棱镜10的o光和e光，实现低噪声共模抑制信号输出；

信号发生器13，用于产生驱动斩波器4的调制信号和锁相放大器12的参考信号，实现对斩波器4的控制以及为锁相放大器12提供参考信号，并将信号分别发送至斩波器4和锁相放大器12；

锁相放大器12，用于对来自平衡光电探测器装置11的信号进行锁相放大探测；

数据采集及处理装置14，对来自所述锁相放大器13的信号进行波形测量，处理采集到的数据波形计算得到待测高波微波探针8的复频特性。

飞秒激光源1为掺钛蓝宝石锁模激光器，输出激光波长780nm，脉冲宽度80fs，信号重复频率80MHz。

光学延迟线3，长度为250mm。

直流电压源5输出的偏置电压为10V。

低温砷化镓光导开关6具有共面波导结构。

电光取样探头7与低温砷化镓光导开关6缝隙距离为1.5mm，待测高频微波探针8的共面端与低温砷化镓光导开关6缝隙距离为2mm。

信号发生器13，输出的脉冲信号调制频率为1.5KHz。

数据采集及处理装置14，基于下述公式计算所述高频微波探针的复频特性H_Probe

$H_{\mathrm{probe}}=\sqrt{-\frac{H\left(W3\right)}{H\left(W1\right)}}/S_{\mathrm{CPW}}$

公式中，H(W1)为所述电光取样探头在距离所述光导开关缝隙处1.5mm处，在不加入高频微波探针的状态下，测量得到太赫兹脉冲信号波形；

H(W2)为所述电光取样探头在距离所述光导开关缝隙处2mm处，在不加入高频微波探针的状态下，测量得到太赫兹脉冲信号波形；

H(W3)为所述电光取样探头在距离低温砷化镓光导开关缝隙1.5mm处，对共面端压于距离低温砷化镓光导开关缝隙2mm处同轴端短路的高频微波探针进行测量，得到的待测太赫兹脉冲信号，

S_CPW为所述低温砷化镓光导开关的复频特性，计算公式为：S_CPW＝H(W2)/H(W1)。

如图2所示，一种用于上述测量装置的高频微波探针复频特性的测量方法，该方法通过飞秒激光源激励共面波导结构的低温砷化镓光导开关，产生的太赫兹脉冲通过共面波导传输线与已连接短路负载的待测高频微波探针，采用时域电光取样测量方法得到取样光中o光和e光不同的偏振状态，测得太赫兹脉冲信号波形进而得到待测高频微波探针的复频特性。该方法具体步骤包括：

S1、所述电光取样探头7在距离所述低温砷化镓光导开关6缝隙处1.5mm处，在不加入待测高频微波探针8的状态下，测量得到太赫兹脉冲信号波形H(W1)；

S2、所述电光取样探头7在距离所述低温砷化镓光导开关6缝隙处2mm处，在不加入待测高频微波探针8的状态下，测量得到太赫兹脉冲信号波形H(W2)；

S3、所述电光取样探头7在距离低温砷化镓光导开关6缝隙1.5mm处，对共面端压于距离低温砷化镓光导开关6缝隙2mm处同轴端短路的待测高频微波探针8进行测量，得到太赫兹脉冲信号波形H(W3)；

S4、根据所得太赫兹脉冲信号波形H(W1)、H(W2)计算得到所述低温砷化镓光导开关的复频特性S_CPW，S_CPW的计算公式为S_CPW＝H(W2)/H(W1)；

S5、根据所得太赫兹脉冲信号波形H(W1)、H(W3)和所述低温砷化镓光导开关6的复频特性S_CPW计算得到所述待测高频微波探针8的复频特性H_Probe，H_Probe的计算公式为： $H_{\mathrm{probe}}=\sqrt{-\frac{H\left(W3\right)}{H\left(W1\right)}}/S_{\mathrm{CPW}}.$

综上所述，本发明所述技术方案，采用泵浦-探测的方式实现高频微波探针的复频特性测量，解决了常规矢量网络分析仪测量法无法实现的高频微波复频特性的测量问题；采用低温砷化镓光导开关作为太赫兹脉冲信号源，可以产生超宽带的太赫兹脉冲信号，其带宽可达0.1THz以上，能够对待测高频微波探针相应超宽带范围内的复频特性进行测量；本发明所述的测量装置采用电光取样技术探测太赫兹脉冲信号，能够实现信噪比高、抖动小、无侵入式的测量且具有极高的测量精度。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种高频微波探针复频特性的测量装置，其特征在于，所述该装置包括

飞秒激光源，用于输出激光至分束镜；

分束镜，用于将激光分为泵浦光和取样光；

斩波器，用于对来自分束镜的泵浦光进行调制，经调制的泵浦光被输出至低温砷化镓光电开关缝隙处；

光学延迟线，用于改变取样光与泵浦光的相对延迟，经延迟的取样光被输出至电光取样探头；

直流电压源，用于为低温砷化镓光导开关提供直流偏置电压；

低温砷化镓光导开关，基于所述经调制的泵浦光产生太赫兹脉冲信号，并将该太赫兹信号施加至待测高频微波探针；

短路器，用于将待测高频微波探针同轴端短路；

电光取样探头，被设置为可相对所述低温砷化镓光导开关及待测微波探针平移，用于通过取样光探测来自待测高频微波探针的信号；

渥拉斯顿棱镜，用于将来自所述电光取样探头的输出光分成o光和e光；

平衡光电探测器，用于通过两个探测窗口分别接收所述渥拉斯顿棱镜的o光与e；

信号发生器，用于产生驱动斩波器的调制信号和锁相放大器的参考信号；

锁相放大器，用于对来自平衡光电探测器装置的信号进行锁相放大探测；

数据采集及处理单元，对来自所述锁相放大器的信号进行处理，得到所示高频微波探针的复频特性。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述飞秒激光源为掺钛蓝宝石锁模激光器，输出激光波长780nm，脉冲宽度80fs，信号重复频率80MHz。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述光学延迟线，长度为250mm。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述信号发生器输出的脉冲信号调制频率为1.5KHz。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述

电光取样探头与所述低温砷化镓光导开关缝隙距离为1.5mm；

待测高频微波探针共面端与所述低温砷化镓光导开关缝隙距离为2mm处。

6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述直流电压源输出偏置电压为10V。

7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述平衡光电探测可实现o光和e光两路信号的低噪声共模抑制输出。

8.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述数据采集及处理单元基于下述公式计算所述高频微波探针的复频特性H_Probe

其中，

H(W1)为所述电光取样探头在距离所述光导开关缝隙处1.5mm处，在不加入高频微波探针的状态下，测量得到太赫兹脉冲信号波形；

H(W2)为所述电光取样探头在距离所述光导开关缝隙处2mm处，在不加入高频微波探针的状态下，测量得到太赫兹脉冲信号波形；

H(W3)为所述电光取样探头在距离低温砷化镓光导开关缝隙1.5mm处，对共面端压于距离低温砷化镓光导开关缝隙2mm处同轴端短路的高频微波探针进行测量，得到的待测太赫兹脉冲信号，

S_CPW为所述低温砷化镓光导开关的复频特性，计算公式为：

S_CPW＝H(W2)/H(W1)。

9.一种用于权利要求1所述的测量装置的高频微波探针复频特性的测量方法，其特征在于，所述该方法包括

所述电光取样探头在距离所述光导开关缝隙处1.5mm处，在不加入高频微波探针的状态下，测量得到太赫兹脉冲信号波形H(W1)；

所述电光取样探头在距离所述光导开关缝隙处2mm处，在不加入高频微波探针的状态下，测量得到太赫兹脉冲信号波形H(W2)；

所述电光取样探头平移至距离低温砷化镓光导开关缝隙1.5mm处，将高频微波探针同轴端接入短路器，对共面端压于距离低温砷化镓光导开关缝隙2mm处同轴端短路的高频微波探针进行测量，得到待测太赫兹脉冲信号波形H(W3)；

根据所得太赫兹脉冲信号波形H(W1)、H(W2)计算得到所述低温砷化镓光导开关的复频特性S_CPW；

根据所得太赫兹脉冲信号波形H(W1)、H(W3)和所述低温砷化镓光导开关的复频特性S_CPW计算得到所述高频微波探针的复频特性H_Probe。

10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，所述低温砷化镓光导开关的复频特性S_CPW计算公式为：S_CPW＝H(W2)/H(W1)；

所述高频微波探针的复频特性H_Probe，计算公式为：