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线性光采样
C. Dorrer, D. C. Kilper, H. R. Stuart, G. Raybon, and M. G. Raymer
摘要——我们通过高速率光采样相干检测展示了波形和眼图的测量。通过同时记录两个正交相干向量在数据流和采样脉冲中两个平衡探测器，我们能抵消线性光固有的相位特性。由于设备是基于线性光和平方律低速光电探测器，它的灵敏性要比非线性光采样技术高1000倍。这使得它对光信号的特性和监测更有吸引力。这个新的诊断工具过去常常以10，40，80Gb/s用来测量眼图而且计划开展160Gb/s甚至更高速率。
索引词：零差监测，干涉测量法，光纤通信，光脉冲测量，采样措施
高速时域波形的测量对一系列技术领域的优势是不可或缺的，也对光通信是一个优秀的例子。然而商业通信系统已经完成率每个信道速率40Gb/s，实验室已经成功地产生160Gb/s及以上的速率。传统的光电测量技术，是高速光电探测器和采样保持电路提高时间选通函数，目前超高速的速率是不足够的。一种替代方法是非线性光采样[1]-[5]，它提供极其高的时域解决办法因为短光脉冲能够提供选通函数。但是由于非线性光的混合所具有的固有的低效率，这个方法灵敏度很低。我们展现一种对光波形的测量的新的方法，这个方法基于线性光采样。一个短光脉冲提供选通函数，使用相干零差混合完成采样部分。通过同时测量相位正交的向量，可以消除零差监测固有的相位灵敏度。线性光采样可以测量非周期波形的特性（一般是数据编码脉冲），但不能使用在对相位阶梯或相位平均领域互相关的波形信号。我们证明了使用线性光采样测量眼图的灵敏度比先前光学技术好三个数量级。据报道,最小输入数据信号峰值功率是60uw，和其他技术的1mw相比好的多。和光采样测量平均脉冲形状方法相比，比如硅中的双光子吸收[8]-[9]，线性光采样的灵敏度仍是好了三个数量级。我们一开始考虑场为的数据脉冲和场为的采样脉冲。假定两个领域是共极化的。在两个脉冲中引入一个延迟。如果这两个脉冲关联于一个慢积分光电检测器，那么输出电流为
(1)
其中和分别是与采样脉冲和数据脉冲的能量成比例的参数项。只有第三项干涉测量分量才有意义，因为它携带有关两个脉冲的相对脉冲形状的信息。背景可以是噪声源，例如，在采样脉冲的能量波动的情况下。为了提取干涉测量分量，我们将两个场组合在分束器上，并将每个输出发送到传统平衡零差配置中的单独检测器。这两个光电流的区别是
(2)
该信号直接取决于两个快速变化的场之间的时间互相关的相位，因此强烈地取决于相位。延迟一小部分光学周期（如5 fs在1550nm）的任何变化都会改变.对两个源进行锁相可以消除这些问题，但这对于实际实现来说太复杂了。相位平均，即当两个场之间的相位步进或随机化时，的均方根值的测量[6]，[7]，仅可用于测量在许多脉冲上平均的脉冲形状。为了测量光信号的波动，例如通过构建眼图，必须独立地记录每个采样事件而不进行平均。
为了消除相位依赖性，我们同时测量每个采样触发的两个正交部分，即干涉测量分量的实部和虚部。这是使用两个相同的设置完成的，并在第二个设置中的部分之间引入相移pi;/2。在这种情况下，平衡光电探测器的输出是
(3)
该量等于干涉测量的另一个正交部分.将由(2)和(3)描述的两个检测到的方程进行平方和求和（在检测后的电子设备或软件中），得到分量
(4)
因此，我们得到采样脉冲和数据脉冲之间的场互相关的模数平方，其中去除了每个单正交的强相位依赖性。
图1 线性光采样结构
MFL:锁模掺铒光纤激光器；OF：光谱滤波器；PC：偏振控制器lambda;/2：1/2波片.lambda;/4：1/4波片。BD：平衡探测器。显微镜目标用3 dB耦合器的输出和聚焦到平衡探测器。
线性光学采样不同于其他采样方法，因为它涉及场采样而不是比强度采样[6][7]。非线性光学采样产生，对于短采样脉冲在采样点的值与数据强度成比例。相反，在场采样产生的信号中保留了一些相位信息。写出在频域中的公式
(5)
我们可以看到场采样对两个脉冲之间的相对光谱相位差很敏感。如果采样脉冲的频谱表示在数据信号的频谱支持上的幅度和相位相当恒定，则采样字段可以从傅立叶变换中取出，信号是，这相当于无限分辨率的非线性采样结果 从(5)可以清楚地看出，只有采样脉冲频谱中与数据频谱重叠的部分参与线性采样，正如零差测量所预期的那样[10]。
在我们的实验中，我们使用共路径偏振干涉仪。采样脉冲由Calmar Optcom锁模光纤激光器产生，其重复频率接近10 MHz。该频率与被测数据源的频率之间的偏移自然地扫描采样和数据脉冲之间的延迟，如在非线性光学采样中那样。通过将测量的样本的周期与数据的已知周期相匹配来设置测量的眼图的时间轴。由于采样激光器的光谱宽，我们对采样脉冲进行了光谱滤波，以匹配数据信号的带宽。0.3nm宽的光谱滤波器用于10Gb / s的测量，而1nm宽的滤光器用于40和80Gb / s。在每种情况下调整滤波器以提供数据和采样字段之间的最佳光谱重叠。在图1之后，数据和采样脉冲最初分别沿着和极化。然后输入到一个光纤50/50耦合器中，然后两个输出耦合到自由空间。在输出A之后，在通过半波片传播之后，数据脉冲沿着极化，而采样脉冲沿着极化。 然后使用其轴沿着和的偏振光束将和独立地发送到New Focus 1617-AC平衡光电探测器的两个探测器上。这可以由式(2)定义的积分进行测量。 耦合器的输出B是相同的，除了设置另外的四分之一波片以便在采样和数据脉冲之间引起pi;/2相移。入射在该臂中另一个平衡探测器的探测器上的场是和，这由（3）定义的正交可以测量。 每个平衡光电探测器的输出电流被发送到1250 Gage Compuscope模拟 - 数字（A / D）转换板。 通过光电二极管将采集与采样脉冲同步，在光电二极管上发送一小部分采样脉冲。 转换后，将两个图形进行数值平方并求和，以得到（4）所述的量。图2显示了两个测量的正交曲线的示例以及针对10 Gb / s的周期脉冲序列获得的最终信号。
图2
在10Gb/s脉冲序列上测量的正交（连续和虚线）（上图）和通过检测后的平方和两个正交的求和得到的波形（下图）。对于两个源的相干时间顺序的测量时间观察到规则的条纹（这里的测量时间是50微秒）。正如预期，两个方形中条纹的相对相位pi;/2。要注意，对于数据编码源，观察到方形上没有规则模式，因为0和1随机发生采样事件。
图3.数据平均功率为10（左）和20 dBm（右）的10 Gb / s眼图。 采样激光器的平均功率为-18 dBm。
我们首先测量了10Gb/s归零码（RZ）数据流信号的的眼图，该数据流是通过使用具有马赫-曾德尔铌酸锂调制器的分布式反馈激光器所产生的光，然后使用另一个相同的调制器进行数据调制而生成的。滤波后的采样脉冲的平均功率为18 dBm。可以在低至20 dBm的数据平均功率下测量眼图。这表示灵敏度优于mW，由采样平均功率和数据峰值功率的乘积计算可得。在图3中绘制了在10和20 dBm处测量的眼图。与先前的非线性光学采样相比，我们的采样脉冲的平均功率非常低。但要注意灵敏度的定义纳入考虑范围之内。
图4.(a)优化的40 Gb / s的眼图和(b)未对准的脉冲数据调制器设置的眼图。在每种情况下，右上方的插图是50 GHz采样范围的读数。 数据的平均功率为-1 dBm，采样激光器的平均功率为-20 dBm。
我们进行了40和80 Gb/s的眼图测量。 40Gb/s RZ信号由四个数据编码的时间复用10Gb/s非归零电信号产生，并由电吸收调制器雕刻。通过压缩40Gb/s数据流和光学多路复用产生80Gb/s数据流。两种比特率下采样脉冲的平均功率为20 dBm。可以在低至10dBm的数据平均功率下测量开眼图。在图4中绘制了平均功率为1 dBm的40 Gb/s的测量眼图。图4(a)中绘制了优化系统的眼图。插图是来自快速光电二极管和50-GHz电子采样示波器的读数。然后修改脉冲雕刻器和数据调制器之间的延迟，以使眼图恶化[图4(b)]。这些比较表明，虽然现场采样不一定用作强度采样，但可以获得良好的效果。
图5. 80-Gb / s眼图的数据平均功率为f2（左）和-11 dBm（右）。
图5中绘制了平均数据功率为2和11 dBm的80 Gb / s的测量眼图。在该比特率下，无法获得电子采样范围的信息。采样激光器的平均功率为-20 dBm。
总的来说，线性光学采样已被应用于以高比特率测量眼图。从数据流和采样源之间的相干的两个正交图重建眼图。由于该诊断仅使用线性光学和平方律积分检测器，因此它显示出前所未有的灵敏度，比非线性光学采样技术好1000倍。 与其他光学采样技术一样，可以通过适当选择采样脉冲的带宽来调整时间分辨率，以扩展到更高的比特率。高灵敏度和无源线性光学设置有望实现一类新的监控应用。
参考文献
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