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640G超高速光采樣示波器技術原理
ThanakomKiatchanog,KojiIgarashi,DexiangWang東京大學*科技研究中心
[翻譯]李麗趙永鵬李白北京凌云光子技術有限公司
1.概述
在超高速光通信系統中，基于全光采樣的眼圖監測將成為一個吸引力的評估信號質量的方法。雖然實時全光采樣系統已經實現次皮秒時間分辨率[見1-4]，但是他們往往依賴一個時鐘恢復電路以及一個外部鎖定到某個重復頻率的穩定的采樣脈沖源。zui近有人提出了一種基于軟件同步的異步光采樣方案，其中時鐘恢復和眼圖重建是通過軟件算法實現的[見5,6]。這個方案非常具有吸引力，因為它即不需要復雜的時鐘恢復電路也不需要外部同步的采樣脈沖源，但是卻可以實現很高的性能。然而由于獲得所需的采樣步長需要較長的計算時間，采樣脈沖的重復率以及信號的數據速率必須恒定才能允許實時的眼圖的重建[6]。因此，它仍然需要一個具有穩定重復頻率的動態的鎖定的采樣脈沖源，這使得整個系統相當復雜。
在本文中，我們介紹了一種基于軟件同步方案的全光采樣系統，該同步方案使用了自由運轉的被動鎖模激光器作為采樣脈沖源。在該方法中，我們采用了我們zui近提出[見7]的二進制樹數據截斷算法用來實現時鐘提取和實時眼圖重建，因此自由運行采樣脈沖源的重復頻率時域波動不會對采樣性能造成影響。
通過在偏振分級結構中的基于光纖的四波混頻（FWM）的光門[8]，我們實現了在整個C波段掃描速率為0.3sec/scan，時間分辨率為1.1ps的160Gb/s信號的實時眼圖重建。偏振靈敏度低于0.15dB。
2.快速眼圖構建的二進制數據截斷算法
軟件同步方案中，為了重建眼圖，需要確定采樣步長Δt，Δt是通過Δt=FT/N,來確定的，T為信號周期的步長，N是采樣點的數目，F是采樣數據的包絡。通過對這些采樣的數據進行傅立葉變換，我們可以利用數值的方法確定包絡的數目F’,可是離散傅立葉變換的譜分辨率有限，實際的F在F’-0.5toF’+0.5之間。為重建眼圖，我們必須得到的F值。
實際的F值可以采用我們zui近提出的二進制數據截斷法BTDT[7]迅速而有效地得到.圖1示出了BTDT算法的原理，其工作原理如下：首先采樣得到的數據的長度被截斷為Nth=N/2F，因而數據的的數目減為N’=N-Nth，如圖1（b）所示。接著對截斷的數據進行傅立葉變換來計算其功率譜，并比較P（F’）和P（F’-1），P（f）為頻率f的譜功率。如果P（F’-1）>P（F’），實際的F值應該位于小于F’的范圍內。
相反，如果P（F’-1）<P（F’），如果F值應該高于F’。以相同的方式，我們重復截短數據Nth=N*[Fth-（F’-0.5）]/Fth倍，Fth為預測的F范圍的中心頻率。經過m次迭代計算，F的準確度提高了2m倍。采用BTDT方法，采用標準的臺式機，眼圖重建可以在<0.3s的時間內完成，因此使每次掃描的實時再同步成為可能。
圖1,（a）.BTDT算法的原理圖，（b）.原理示例，N=1000,F’=10,實際的包絡數F為10.15.
3.實驗裝置
異步光采樣系統的實驗裝置如圖2所示。一個沒有任何外部控制的被動鎖模光纖環形激光（Alnair：AFL-02-C01）產生采樣脈沖序列。它的波長為1550nm，重復頻率為50MHz，脈沖寬度為1ps。由于非線性光纖的自相位調制效應導致的脈沖譜的展寬使采樣脈沖序列的波長可以移到1575nm，這種方法產生的采樣脈沖的寬度為1.1ps、平均功率-0.4dBm。
圖2：異步全光采樣系統示意圖。自由運行SPS：自由采樣脈沖源;PC：偏振控制器;HNLDSF：高非線性色散位移光纖;PBS：偏振分束器
該信號采樣通過在偏振分級結構中采用基于20米長的高非線性色散位移光纖（HNL-DSF）的四波混頻光門。該偏振控制器1（PC1）把線偏振道德采樣脈沖對準在PBS輸入端45度方向，同時環路中的PC2用于調整使PBS輸出端的采樣信號功率zui大。產生的諧波被由WDM耦合器和光纖光柵組合成的L波段濾波器濾掉。該采樣信號通過一個帶寬為125MHz的探測器進行探測，并傳送到計算機上通過我們提出的軟件算法生成眼圖。對于C波段中任意偏振態的輸入信號和波長，我們的系統都可以工作而不需任何調整。
4.結果及討論
圖3（a）顯示了歸一化的四波混頻轉換效率。我們可以看到，在1530nm至1557nm內可以獲得平坦的轉換效率，這幾乎涵蓋了整個C波段。短波長限制來源于由于接收器靈敏度帶寬的限制，而長波端受限是由于本實驗中使用的L波段濾波器的限制。圖3（b）-（e）分別給出了波長分別為1532nm、1540nm、1550nm和1557nm的160-Gb/sRZ信號，可以看出的眼圖非常，刷新頻率約為0.3秒/次掃描。時間分辨率1.1ps時，我們可以眼圖睜眼度和波長無關。
要驗證采樣系統的偏振靈敏度，我們測量通過擾偏儀擾動的偏振信號的眼圖。圖4（a）和（b）中給出了分別在擾偏儀打開和關閉狀態下，*偏振態的采樣脈沖的眼圖。我們發現，殘余的偏振相關小于0.15dB。另一方面，當PC1不是*化時，我們不能得到圖4（c）中顯示的偏振擾動信號的清晰眼圖。
圖3：不同波長160-Gb/sRZ信號眼圖，（a）1532nm,（b）1540nm,（c）1550nmand（d）1557nm。各個信號波長時信號功率均正常
圖4：a和b是無偏振擾動采樣脈沖偏振態*化時160-Gb/sRZ信號眼圖。眼圖c：采樣脈沖偏振態沒有*化、擾偏儀打開狀態測得
5.結論
我們介紹了一個利用自由運行的被動鎖模光纖激光器作為采樣源的簡單實時全光采樣系統，據我所知，這是目前有人提出這個方案。雖然采樣頻率會隨時間漂移，我們仍舊可以通過新開發的軟件算法在很短時間的計算獲取采樣步長。通過采用光纖為基礎的偏振分級結構中的光纖四波混頻，我們測量了整個C波段的160-Gb/s信號的眼圖，掃描速度為0.3秒/次掃描，偏振靈敏度為0.15dB和時間分辨率為1.1ps條件。由于大大減少了復雜的采樣脈沖源，證明該方案是一個非常有吸引力的實現低成本、性光采樣系統，非常適用于實際系統的性能監測。Alnair公司已經基于此技術，研制成功全光采樣示波器。
[翻譯]李麗趙永鵬李白北京凌云光子技術有限公司
1.概述
在超高速光通信系統中，基于全光采樣的眼圖監測將成為一個吸引力的評估信號質量的方法。雖然實時全光采樣系統已經實現次皮秒時間分辨率[見1-4]，但是他們往往依賴一個時鐘恢復電路以及一個外部鎖定到某個重復頻率的穩定的采樣脈沖源。zui近有人提出了一種基于軟件同步的異步光采樣方案，其中時鐘恢復和眼圖重建是通過軟件算法實現的[見5,6]。這個方案非常具有吸引力，因為它即不需要復雜的時鐘恢復電路也不需要外部同步的采樣脈沖源，但是卻可以實現很高的性能。然而由于獲得所需的采樣步長需要較長的計算時間，采樣脈沖的重復率以及信號的數據速率必須恒定才能允許實時的眼圖的重建[6]。因此，它仍然需要一個具有穩定重復頻率的動態的鎖定的采樣脈沖源，這使得整個系統相當復雜。
在本文中，我們介紹了一種基于軟件同步方案的全光采樣系統，該同步方案使用了自由運轉的被動鎖模激光器作為采樣脈沖源。在該方法中，我們采用了我們zui近提出[見7]的二進制樹數據截斷算法用來實現時鐘提取和實時眼圖重建，因此自由運行采樣脈沖源的重復頻率時域波動不會對采樣性能造成影響。
通過在偏振分級結構中的基于光纖的四波混頻（FWM）的光門[8]，我們實現了在整個C波段掃描速率為0.3sec/scan，時間分辨率為1.1ps的160Gb/s信號的實時眼圖重建。偏振靈敏度低于0.15dB。
2.快速眼圖構建的二進制數據截斷算法
軟件同步方案中，為了重建眼圖，需要確定采樣步長Δt，Δt是通過Δt=FT/N,來確定的，T為信號周期的步長，N是采樣點的數目，F是采樣數據的包絡。通過對這些采樣的數據進行傅立葉變換，我們可以利用數值的方法確定包絡的數目F’,可是離散傅立葉變換的譜分辨率有限，實際的F在F’-0.5toF’+0.5之間。為重建眼圖，我們必須得到的F值。
實際的F值可以采用我們zui近提出的二進制數據截斷法BTDT[7]迅速而有效地得到.圖1示出了BTDT算法的原理，其工作原理如下：首先采樣得到的數據的長度被截斷為Nth=N/2F，因而數據的的數目減為N’=N-Nth，如圖1（b）所示。接著對截斷的數據進行傅立葉變換來計算其功率譜，并比較P（F’）和P（F’-1），P（f）為頻率f的譜功率。如果P（F’-1）>P（F’），實際的F值應該位于小于F’的范圍內。
相反，如果P（F’-1）<P（F’），如果F值應該高于F’。以相同的方式，我們重復截短數據Nth=N*[Fth-（F’-0.5）]/Fth倍，Fth為預測的F范圍的中心頻率。經過m次迭代計算，F的準確度提高了2m倍。采用BTDT方法，采用標準的臺式機，眼圖重建可以在<0.3s的時間內完成，因此使每次掃描的實時再同步成為可能。
圖1,（a）.BTDT算法的原理圖，（b）.原理示例，N=1000,F’=10,實際的包絡數F為10.15.
3.實驗裝置
異步光采樣系統的實驗裝置如圖2所示。一個沒有任何外部控制的被動鎖模光纖環形激光（Alnair：AFL-02-C01）產生采樣脈沖序列。它的波長為1550nm，重復頻率為50MHz，脈沖寬度為1ps。由于非線性光纖的自相位調制效應導致的脈沖譜的展寬使采樣脈沖序列的波長可以移到1575nm，這種方法產生的采樣脈沖的寬度為1.1ps、平均功率-0.4dBm。
圖2：異步全光采樣系統示意圖。自由運行SPS：自由采樣脈沖源;PC：偏振控制器;HNLDSF：高非線性色散位移光纖;PBS：偏振分束器
該信號采樣通過在偏振分級結構中采用基于20米長的高非線性色散位移光纖（HNL-DSF）的四波混頻光門。該偏振控制器1（PC1）把線偏振道德采樣脈沖對準在PBS輸入端45度方向，同時環路中的PC2用于調整使PBS輸出端的采樣信號功率zui大。產生的諧波被由WDM耦合器和光纖光柵組合成的L波段濾波器濾掉。該采樣信號通過一個帶寬為125MHz的探測器進行探測，并傳送到計算機上通過我們提出的軟件算法生成眼圖。對于C波段中任意偏振態的輸入信號和波長，我們的系統都可以工作而不需任何調整。
4.結果及討論
圖3（a）顯示了歸一化的四波混頻轉換效率。我們可以看到，在1530nm至1557nm內可以獲得平坦的轉換效率，這幾乎涵蓋了整個C波段。短波長限制來源于由于接收器靈敏度帶寬的限制，而長波端受限是由于本實驗中使用的L波段濾波器的限制。圖3（b）-（e）分別給出了波長分別為1532nm、1540nm、1550nm和1557nm的160-Gb/sRZ信號，可以看出的眼圖非常，刷新頻率約為0.3秒/次掃描。時間分辨率1.1ps時，我們可以眼圖睜眼度和波長無關。
要驗證采樣系統的偏振靈敏度，我們測量通過擾偏儀擾動的偏振信號的眼圖。圖4（a）和（b）中給出了分別在擾偏儀打開和關閉狀態下，*偏振態的采樣脈沖的眼圖。我們發現，殘余的偏振相關小于0.15dB。另一方面，當PC1不是*化時，我們不能得到圖4（c）中顯示的偏振擾動信號的清晰眼圖。
圖3：不同波長160-Gb/sRZ信號眼圖，（a）1532nm,（b）1540nm,（c）1550nmand（d）1557nm。各個信號波長時信號功率均正常
圖4：a和b是無偏振擾動采樣脈沖偏振態*化時160-Gb/sRZ信號眼圖。眼圖c：采樣脈沖偏振態沒有*化、擾偏儀打開狀態測得
5.結論
我們介紹了一個利用自由運行的被動鎖模光纖激光器作為采樣源的簡單實時全光采樣系統，據我所知，這是目前有人提出這個方案。雖然采樣頻率會隨時間漂移，我們仍舊可以通過新開發的軟件算法在很短時間的計算獲取采樣步長。通過采用光纖為基礎的偏振分級結構中的光纖四波混頻，我們測量了整個C波段的160-Gb/s信號的眼圖，掃描速度為0.3秒/次掃描，偏振靈敏度為0.15dB和時間分辨率為1.1ps條件。由于大大減少了復雜的采樣脈沖源，證明該方案是一個非常有吸引力的實現低成本、性光采樣系統，非常適用于實際系統的性能監測。Alnair公司已經基于此技術，研制成功全光采樣示波器。