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640G超高速光采樣示波器技術(shù)原理
ThanakomKiatchanog,KojiIgarashi,DexiangWang東京大學(xué)*科技研究中心
[翻譯]李麗趙永鵬李白北京凌云光子技術(shù)有限公司
1.概述
在超高速光通信系統(tǒng)中，基于全光采樣的眼圖監(jiān)測(cè)將成為一個(gè)吸引力的評(píng)估信號(hào)質(zhì)量的方法。雖然實(shí)時(shí)全光采樣系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)次皮秒時(shí)間分辨率[見1-4]，但是他們往往依賴一個(gè)時(shí)鐘恢復(fù)電路以及一個(gè)外部鎖定到某個(gè)重復(fù)頻率的穩(wěn)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(shí)鐘恢復(fù)和眼圖重建是通過軟件算法實(shí)現(xiàn)的[見5,6]。這個(gè)方案非常具有吸引力，因?yàn)樗床恍枰獜?fù)雜的時(shí)鐘恢復(fù)電路也不需要外部同步的采樣脈沖源，但是卻可以實(shí)現(xiàn)很高的性能。然而由于獲得所需的采樣步長需要較長的計(jì)算時(shí)間，采樣脈沖的重復(fù)率以及信號(hào)的數(shù)據(jù)速率必須恒定才能允許實(shí)時(shí)的眼圖的重建[6]。因此，它仍然需要一個(gè)具有穩(wěn)定重復(fù)頻率的動(dòng)態(tài)的鎖定的采樣脈沖源，這使得整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)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(tǒng)，該同步方案使用了自由運(yùn)轉(zhuǎn)的被動(dòng)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(jìn)制樹數(shù)據(jù)截?cái)嗨惴ㄓ脕韺?shí)現(xiàn)時(shí)鐘提取和實(shí)時(shí)眼圖重建，因此自由運(yùn)行采樣脈沖源的重復(fù)頻率時(shí)域波動(dòng)不會(huì)對(duì)采樣性能造成影響。
通過在偏振分級(jí)結(jié)構(gòu)中的基于光纖的四波混頻（FWM）的光門[8]，我們實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)C波段掃描速率為0.3sec/scan，時(shí)間分辨率為1.1ps的160Gb/s信號(hào)的實(shí)時(shí)眼圖重建。偏振靈敏度低于0.15dB。
2.快速眼圖構(gòu)建的二進(jìn)制數(shù)據(jù)截?cái)嗨惴?br />
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(hào)周期的步長，N是采樣點(diǎn)的數(shù)目，F(xiàn)是采樣數(shù)據(jù)的包絡(luò)。通過對(duì)這些采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換，我們可以利用數(shù)值的方法確定包絡(luò)的數(shù)目F’,可是離散傅立葉變換的譜分辨率有限，實(shí)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(shí)際的F值可以采用我們zui近提出的二進(jìn)制數(shù)據(jù)截?cái)喾˙TDT[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(shù)據(jù)的長度被截?cái)酁镹th=N/2F，因而數(shù)據(jù)的的數(shù)目減為N’=N-Nth，如圖1（b）所示。接著對(duì)截?cái)嗟臄?shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換來計(jì)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(shí)際的F值應(yīng)該位于小于F’的范圍內(nèi)。
相反，如果P（F’-1）<P（F’），如果F值應(yīng)該高于F’。以相同的方式，我們重復(fù)截短數(shù)據(jù)Nth=N*[Fth-（F’-0.5）]/Fth倍，F(xiàn)th為預(yù)測(cè)的F范圍的中心頻率。經(jīng)過m次迭代計(jì)算，F(xiàn)的準(zhǔn)確度提高了2m倍。采用BTDT方法，采用標(biāo)準(zhǔn)的臺(tái)式機(jī)，眼圖重建可以在<0.3s的時(shí)間內(nèi)完成，因此使每次掃描的實(shí)時(shí)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(shí)際的包絡(luò)數(shù)F為10.15.
3.實(shí)驗(yàn)裝置
異步光采樣系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。一個(gè)沒有任何外部控制的被動(dòng)鎖模光纖環(huán)形激光（Alnair：AFL-02-C01）產(chǎn)生采樣脈沖序列。它的波長為1550nm，重復(fù)頻率為50MHz，脈沖寬度為1ps。由于非線性光纖的自相位調(diào)制效應(yīng)導(dǎo)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(chǎn)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(tǒng)示意圖。自由運(yùn)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(hào)采樣通過在偏振分級(jí)結(jié)構(gòu)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(duì)準(zhǔn)在PBS輸入端45度方向，同時(shí)環(huán)路中的PC2用于調(diào)整使PBS輸出端的采樣信號(hào)功率zui大。產(chǎn)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(hào)通過一個(gè)帶寬為125MHz的探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，并傳送到計(jì)算機(jī)上通過我們提出的軟件算法生成眼圖。對(duì)于C波段中任意偏振態(tài)的輸入信號(hào)和波長，我們的系統(tǒng)都可以工作而不需任何調(diào)整。
4.結(jié)果及討論
圖3（a）顯示了歸一化的四波混頻轉(zhuǎn)換效率。我們可以看到，在1530nm至1557nm內(nèi)可以獲得平坦的轉(zhuǎn)換效率，這幾乎涵蓋了整個(gè)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(shí)驗(yàn)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(hào)，可以看出的眼圖非常，刷新頻率約為0.3秒/次掃描。時(shí)間分辨率1.1ps時(shí)，我們可以眼圖睜眼度和波長無關(guān)。
要驗(yàn)證采樣系統(tǒng)的偏振靈敏度，我們測(cè)量通過擾偏儀擾動(dòng)的偏振信號(hào)的眼圖。圖4（a）和（b）中給出了分別在擾偏儀打開和關(guān)閉狀態(tài)下，*偏振態(tài)的采樣脈沖的眼圖。我們發(fā)現(xiàn)，殘余的偏振相關(guān)小于0.15dB。另一方面，當(dāng)PC1不是*化時(shí)，我們不能得到圖4（c）中顯示的偏振擾動(dòng)信號(hào)的清晰眼圖。
圖3：不同波長160-Gb/sRZ信號(hào)眼圖，（a）1532nm,（b）1540nm,（c）1550nmand（d）1557nm。各個(gè)信號(hào)波長時(shí)信號(hào)功率均正常
圖4：a和b是無偏振擾動(dòng)采樣脈沖偏振態(tài)*化時(shí)160-Gb/sRZ信號(hào)眼圖。眼圖c：采樣脈沖偏振態(tài)沒有*化、擾偏儀打開狀態(tài)測(cè)得
5.結(jié)論
我們介紹了一個(gè)利用自由運(yùn)行的被動(dòng)鎖模光纖激光器作為采樣源的簡單實(shí)時(shí)全光采樣系統(tǒng)，據(jù)我所知，這是目前有人提出這個(gè)方案。雖然采樣頻率會(huì)隨時(shí)間漂移，我們?nèi)耘f可以通過新開發(fā)的軟件算法在很短時(shí)間的計(jì)算獲取采樣步長。通過采用光纖為基礎(chǔ)的偏振分級(jí)結(jié)構(gòu)中的光纖四波混頻，我們測(cè)量了整個(gè)C波段的160-Gb/s信號(hào)的眼圖，掃描速度為0.3秒/次掃描，偏振靈敏度為0.15dB和時(shí)間分辨率為1.1ps條件。由于大大減少了復(fù)雜的采樣脈沖源，證明該方案是一個(gè)非常有吸引力的實(shí)現(xiàn)低成本、性光采樣系統(tǒng)，非常適用于實(shí)際系統(tǒng)的性能監(jiān)測(cè)。Alnair公司已經(jīng)基于此技術(shù)，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(shù)有限公司
1.概述
在超高速光通信系統(tǒng)中，基于全光采樣的眼圖監(jiān)測(cè)將成為一個(gè)吸引力的評(píng)估信號(hào)質(zhì)量的方法。雖然實(shí)時(shí)全光采樣系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)次皮秒時(shí)間分辨率[見1-4]，但是他們往往依賴一個(gè)時(shí)鐘恢復(fù)電路以及一個(gè)外部鎖定到某個(gè)重復(fù)頻率的穩(wěn)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(shí)鐘恢復(fù)和眼圖重建是通過軟件算法實(shí)現(xiàn)的[見5,6]。這個(gè)方案非常具有吸引力，因?yàn)樗床恍枰獜?fù)雜的時(shí)鐘恢復(fù)電路也不需要外部同步的采樣脈沖源，但是卻可以實(shí)現(xiàn)很高的性能。然而由于獲得所需的采樣步長需要較長的計(jì)算時(shí)間，采樣脈沖的重復(fù)率以及信號(hào)的數(shù)據(jù)速率必須恒定才能允許實(shí)時(shí)的眼圖的重建[6]。因此，它仍然需要一個(gè)具有穩(wěn)定重復(fù)頻率的動(dòng)態(tài)的鎖定的采樣脈沖源，這使得整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)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(tǒng)，該同步方案使用了自由運(yùn)轉(zhuǎn)的被動(dòng)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(jìn)制樹數(shù)據(jù)截?cái)嗨惴ㄓ脕韺?shí)現(xiàn)時(shí)鐘提取和實(shí)時(shí)眼圖重建，因此自由運(yùn)行采樣脈沖源的重復(fù)頻率時(shí)域波動(dòng)不會(huì)對(duì)采樣性能造成影響。
通過在偏振分級(jí)結(jié)構(gòu)中的基于光纖的四波混頻（FWM）的光門[8]，我們實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)C波段掃描速率為0.3sec/scan，時(shí)間分辨率為1.1ps的160Gb/s信號(hào)的實(shí)時(shí)眼圖重建。偏振靈敏度低于0.15dB。
2.快速眼圖構(gòu)建的二進(jìn)制數(shù)據(jù)截?cái)嗨惴?br />
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(hào)周期的步長，N是采樣點(diǎn)的數(shù)目，F(xiàn)是采樣數(shù)據(jù)的包絡(luò)。通過對(duì)這些采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換，我們可以利用數(shù)值的方法確定包絡(luò)的數(shù)目F’,可是離散傅立葉變換的譜分辨率有限，實(shí)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(shí)際的F值可以采用我們zui近提出的二進(jìn)制數(shù)據(jù)截?cái)喾˙TDT[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(shù)據(jù)的長度被截?cái)酁镹th=N/2F，因而數(shù)據(jù)的的數(shù)目減為N’=N-Nth，如圖1（b）所示。接著對(duì)截?cái)嗟臄?shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換來計(jì)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(shí)際的F值應(yīng)該位于小于F’的范圍內(nèi)。
相反，如果P（F’-1）<P（F’），如果F值應(yīng)該高于F’。以相同的方式，我們重復(fù)截短數(shù)據(jù)Nth=N*[Fth-（F’-0.5）]/Fth倍，F(xiàn)th為預(yù)測(cè)的F范圍的中心頻率。經(jīng)過m次迭代計(jì)算，F(xiàn)的準(zhǔn)確度提高了2m倍。采用BTDT方法，采用標(biāo)準(zhǔn)的臺(tái)式機(jī)，眼圖重建可以在<0.3s的時(shí)間內(nèi)完成，因此使每次掃描的實(shí)時(shí)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(shí)際的包絡(luò)數(shù)F為10.15.
3.實(shí)驗(yàn)裝置
異步光采樣系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。一個(gè)沒有任何外部控制的被動(dòng)鎖模光纖環(huán)形激光（Alnair：AFL-02-C01）產(chǎn)生采樣脈沖序列。它的波長為1550nm，重復(fù)頻率為50MHz，脈沖寬度為1ps。由于非線性光纖的自相位調(diào)制效應(yīng)導(dǎo)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(chǎn)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(tǒng)示意圖。自由運(yùn)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(hào)采樣通過在偏振分級(jí)結(jié)構(gòu)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(duì)準(zhǔn)在PBS輸入端45度方向，同時(shí)環(huán)路中的PC2用于調(diào)整使PBS輸出端的采樣信號(hào)功率zui大。產(chǎn)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(hào)通過一個(gè)帶寬為125MHz的探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，并傳送到計(jì)算機(jī)上通過我們提出的軟件算法生成眼圖。對(duì)于C波段中任意偏振態(tài)的輸入信號(hào)和波長，我們的系統(tǒng)都可以工作而不需任何調(diào)整。
4.結(jié)果及討論
圖3（a）顯示了歸一化的四波混頻轉(zhuǎn)換效率。我們可以看到，在1530nm至1557nm內(nèi)可以獲得平坦的轉(zhuǎn)換效率，這幾乎涵蓋了整個(gè)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(shí)驗(yàn)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(hào)，可以看出的眼圖非常，刷新頻率約為0.3秒/次掃描。時(shí)間分辨率1.1ps時(shí)，我們可以眼圖睜眼度和波長無關(guān)。
要驗(yàn)證采樣系統(tǒng)的偏振靈敏度，我們測(cè)量通過擾偏儀擾動(dòng)的偏振信號(hào)的眼圖。圖4（a）和（b）中給出了分別在擾偏儀打開和關(guān)閉狀態(tài)下，*偏振態(tài)的采樣脈沖的眼圖。我們發(fā)現(xiàn)，殘余的偏振相關(guān)小于0.15dB。另一方面，當(dāng)PC1不是*化時(shí)，我們不能得到圖4（c）中顯示的偏振擾動(dòng)信號(hào)的清晰眼圖。
圖3：不同波長160-Gb/sRZ信號(hào)眼圖，（a）1532nm,（b）1540nm,（c）1550nmand（d）1557nm。各個(gè)信號(hào)波長時(shí)信號(hào)功率均正常
圖4：a和b是無偏振擾動(dòng)采樣脈沖偏振態(tài)*化時(shí)160-Gb/sRZ信號(hào)眼圖。眼圖c：采樣脈沖偏振態(tài)沒有*化、擾偏儀打開狀態(tài)測(cè)得
5.結(jié)論
我們介紹了一個(gè)利用自由運(yùn)行的被動(dòng)鎖模光纖激光器作為采樣源的簡單實(shí)時(shí)全光采樣系統(tǒng)，據(jù)我所知，這是目前有人提出這個(gè)方案。雖然采樣頻率會(huì)隨時(shí)間漂移，我們?nèi)耘f可以通過新開發(fā)的軟件算法在很短時(shí)間的計(jì)算獲取采樣步長。通過采用光纖為基礎(chǔ)的偏振分級(jí)結(jié)構(gòu)中的光纖四波混頻，我們測(cè)量了整個(gè)C波段的160-Gb/s信號(hào)的眼圖，掃描速度為0.3秒/次掃描，偏振靈敏度為0.15dB和時(shí)間分辨率為1.1ps條件。由于大大減少了復(fù)雜的采樣脈沖源，證明該方案是一個(gè)非常有吸引力的實(shí)現(xiàn)低成本、性光采樣系統(tǒng)，非常適用于實(shí)際系統(tǒng)的性能監(jiān)測(cè)。Alnair公司已經(jīng)基于此技術(shù)，研制成功全光采樣示波器。