640G超高速光采样示波器技术原理

[作者] Thanakom Kiatchanog, Koji Igarashi, Dexiang Wang   东京大学先进科技研究中心
[翻译] 李丽 赵永鹏 李白 北京凌云光子技术有限公司

1. 概述
    在超高速光通信系统中，基于全光采样的眼图监测将成为一个极具吸引力的评估信号质量的方法。虽然实时全光采样系统已经实现次皮秒时间分辨率[见1-4]，但是他们往往依赖一个时钟恢复电路以及一个外部锁定到某个重复频率的稳定的采样脉冲源。最近有人提出了一种基于软件同步的异步光采样方案，其中时钟恢复和眼图重建是通过软件算法实现的[见5,6]。这个方案非常具有吸引力，因为它即不需要复杂的时钟恢复电路也不需要外部同步的采样脉冲源，但是却可以实现很高的性能。然而由于获得所需的采样步长需要较长的计算时间，采样脉冲的重复率以及信号的数据速率必须恒定才能允许实时的眼图的重建[6]。因此，它仍然需要一个具有稳定重复频率的动态的锁定的采样脉冲源，这使得整个系统相当复杂。
    在本文中，我们介绍了一种基于软件同步方案的全光采样系统，该同步方案使用了自由运转的被动锁模激光器作为采样脉冲源。在该方法中，我们采用了我们最近提出[见7]的二进制树数据截断算法用来实现时钟提取和实时眼图重建，因此自由运行采样脉冲源的重复频率时域波动不会对采样性能造成影响。
    通过在偏振分级结构中的基于光纤的四波混频（FWM）的光门[8]，我们实现了在整个C波段扫描速率为0.3 sec/scan，时间分辨率为1.1 ps的160Gb/s信号的实时眼图重建。偏振灵敏度低于0.15dB。
2.快速眼图构建的二进制数据截断算法
    软件同步方案中，为了重建眼图，需要确定采样步长Δt，Δt是通过Δt = FT/N,来确定的，T为信号周期的步长，N是采样点的数目，F是采样数据的包络。通过对这些采样的数据进行傅立叶变换，我们可以利用数值的方法确定包络的数目F’,可是离散傅立叶变换的谱分辨率有限，实际的F在F’- 0.5 to F’+0.5之间。为重建眼图，我们必须得到精确的F值。
实际的F值可以采用我们最近提出的二进制数据截断法BTDT[7]迅速而有效地得到.图１示出了BTDT算法的原理，其工作原理如下：首先采样得到的数据的长度被截断为Nth = N/2F，因而数据的的数目减为N’ =N-Nth，如图１（ｂ）所示。接着对截断的数据进行傅立叶变换来计算其功率谱，并比较P(F’) 和 P(F’-1)，P(f)为频率f的谱功率。如果P(F’-1) > P(F’)，实际的F值应该位于小于F’的范围内。
    相反，如果P(F’-1) < P(F’)，如果F值应该高于F’。以相同的方式，我们重复截短数据Nth =N*[Fth-(F’-0.5)]/Fth 倍，Fth为预测的F范围的中心频率。经过m次迭代计算，F的准确度提高了2m倍。采用BTDT方法，采用标准的台式机，眼图重建可以在<0.3s的时间内完成，因此使每次扫描的实时再同步成为可能。
 
图1, (a). BTDT算法的原理图，(b). 原理示例，N=1000,F’=10, 实际的包络数F为10.15.

3.实验装置
    异步光采样系统的实验装置如图2所示。一个没有任何外部控制的被动锁模光纤环形激光（Alnair ：AFL-02-C01）产生采样脉冲序列。它的波长为1550nm，重复频率为50 MHz，脉冲宽度为1ps。由于非线性光纤的自相位调制效应导致的脉冲谱的展宽使采样脉冲序列的波长可以移到1575nm，这种方法产生的采样脉冲的宽度为1.1 ps、平均功率-0.4dBm。
 
图2：异步全光采样系统示意图。 自由运行SPS： 自由采样脉冲源；PC：偏振控制器； HNL DSF：高非线性色散位移光纤； PBS：偏振分束器
    该信号采样通过在偏振分级结构中采用基于20米长的高非线性色散位移光纤（HNL-DSF）的四波混频光门。该偏振控制器1（PC1）把线偏振道德采样脉冲对准在PBS输入端45度方向，同时环路中的PC2用于调整使PBS输出端的采样信号功率最大。产生的谐波被由WDM耦合器和光纤光栅组合成的L波段滤波器滤掉。该采样信号通过一个带宽为125 MHz的探测器进行探测，并传送到计算机上通过我们提出的软件算法生成眼图。对于C波段中任意偏振态的输入信号和波长，我们的系统都可以工作而不需任何调整。

4. 结果及讨论
    图3（a）显示了归一化的四波混频转换效率。我们可以看到，在1530nm至1557nm内可以获得平坦的转换效率，这几乎涵盖了整个C波段。短波长限制来源于由于接收器灵敏度带宽的限制，而长波端受限是由于本实验中使用的L波段滤波器的限制。图3（b）-（e）分别给出了波长分别为1532nm、1540 nm、1550 nm和1557 nm的160-Gb/s RZ信号，可以看出的眼图非常优秀，刷新频率约为0 .3秒/次扫描。时间分辨率1.1 ps时，我们可以眼图睁眼度和波长无关。
    要验证采样系统的偏振灵敏度，我们测量通过扰偏仪扰动的偏振信号的眼图。 图4（a）和（b）中给出了分别在扰偏仪打开和关闭状态下，最优偏振态的采样脉冲的眼图。我们发现，残余的偏振相关小于0.15dB。另一方面，当PC1不是最优化时，我们不能得到图4（c）中显示的偏振扰动信号的清晰眼图。
    
    图3：不同波长160-Gb/s RZ信号眼图，(a) 1532 nm, (b) 1540 nm, (c) 1550 nm and (d) 1557 nm。各个信号波长时信号功率均正常
    
图4：a和b是无偏振扰动采样脉冲偏振态最优化时160-Gb/s RZ信号眼图。眼图c：采样脉冲偏振态没有最优化、扰偏仪打开状态测得

5. 结论
    我们介绍了一个利用自由运行的被动锁模光纤激光器作为采样源的简单实时全光采样系统，据我所知，这是目前首次有人提出这个方案。虽然采样频率会随时间漂移，我们仍旧可以通过新开发的软件算法在很短时间的计算获取采样步长。通过采用光纤为基础的偏振分级结构中的光纤四波混频，我们测量了整个C波段的160-Gb/s信号的眼图，扫描速度为0.3秒/次扫描，偏振灵敏度为0.15dB和时间分辨率为1.1 ps条件。由于大大减少了复杂的采样脉冲源，证明该方案是一个非常有吸引力的实现低成本、高效性光采样系统，非常适用于实际系统的性能监测。Alnair公司已经基于此专利技术，研制成功全光采样示波器。