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1、华中科技大学 硕士学位论文 光采样技术研究 姓名：向少勇 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：张新亮 20070527 摘 要 光采样技术是对高比特率光学数据信号进行时间分辨测量的理想技术，它具有传 统光电探测器和示波器无法达到的带宽。光采样在高比特率信号的波形和眼图测量、 相位调制信号的星座图测量、偏振态时域分辨测量和光纤传输损伤研究等方面得到广 泛应用。本文在湖北省杰出青年基金和教育部新世纪优秀人才计划的资助下，对光采 样的实现方案和关键技术进行较深入的理论和实验研究，完成的主要工作有如下几点： (1) 在广泛查阅国内外文献的基础上，综述了目前报道过的光采样的实现方案和基 本原理
2、，并对光采样中的关键技术：采样脉冲源、时钟恢复、采样门和光电探测及数 据采集的实现方案分别进行概括总结。 (2) 分析了半导体光放大器（SOA）的三种理论模型，利用琼斯矩阵法推导了基于 SOA 的超快非线性干涉仪（UNI）的传输函数，并在此基础上模拟了 UNI 的开关窗口 特性。利用折叠型干涉仪结构实验验证了 20Gb/s 的 UNI 开关特性。 (3) 分别以 UNI 和增益透明 UNI （GT-UNI） 作为采样门， 模拟得到了在不同的 SOA 载流子寿命下 20Gb/s NRZ 和 RZ 伪随机序列的同步光采样眼图，并进行了对比分析。 (4) 对全光码型转换和差分相移键控（DPSK）信号
3、解调进行了实验研究。分别利 用 UNI 和延时偏振干涉仪进行了不同速率的 NRZ 到 PRZ 的转换；利用延时偏振干涉 仪实现了不同速率的 NRZ-DPSK 到 PRZ 的转换以及 40Gb/s NRZ-DPSK 和 RZ-DPSK 的解调。这一部分的工作对于研究同步光采样系统中时钟恢复的实现方法以及如何利 用传统的光采样技术实现对相位调制信号的采样是有益的探索。 关键词：关键词：光采样 半导体光放大器 超快非线性干涉仪 全光码型转换 差分相移键控解调 I Abstract The optical sampling technique is a novel method to perform
4、time-resolved measurements of optical data signals at high bit rates with a bandwidth that cannot be reached by conventional photodetectors and oscilloscopes. Applications of optical sampling systems include high bit rate waveform and eye diagram measurements, measurements of constellation diagrams
5、of phase modulated data signals, time-resolved measurements of the state-of-polarization as well as investigations of fiber transmission impairments. Supported by the Science Fund for Distinguished Young Scholars of Hubei Province and the Program for the New Century Excellent Talents in University o
6、f Ministry of Education of China，the realization of optical sampling and its key techniques are studied in this paper. The main contents are listed as follows: (1) Different configurations of optical sampling systems and their principles are reviewed. The schemes of sampling pulse source, clock reco
7、very, sampling gate, opto/electrical detection and data acquisition are summarized. (2) Three different theoretical models of semiconductor optical amplifier (SOA) are introduced. The optical power transmittance function of the ultrafast nonlinear interferometer (UNI) based on SOA is derived using t
8、he Jones formalism. Then the switch window properties of the UNI are simulated based on them. The switch window properties of the UNI at 20Gb/s are also experimentally studied using a folded structure. (3) Synchronous optical sampling eye diagrams of 20Gb/s NRZ and RZ pseudorandom binary sequence ar
9、e simulated in different carriers lifetime conditions, with UNI and gain- transparent UNI (GT-UNI) as sampling gate respectively. And the results are analyzed comparatively. (4) All-optical data format conversion and differential phase-shift keying (DPSK) signals demodulation are experimentally stud
10、ied. All-optical nonreturn-to-zero (NRZ) to pseudo-return- to-zero (PRZ) conversion has been achieved at different bit rate using UNI and delay polarization interferometer respectively. In addition, all-optical NRZ-DPSK to PRZ conversion at different bit rate, 40Gb/s NRZ-DPSK demodulation and 40Gb/s
11、 RZ-DPSK demodulation have been achieved using delay polarization interferometer. These works are beneficial to clock recovery in synchronous optical sampling system and DPSK signals sampling using traditional sampling technique. Keywords: optical sampling semiconductor optical amplifier ultrafast n
12、onlinear interferometer all-optical data format conversion DPSK demodulation II 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家
13、有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 1 绪论 1.1 引言 随着超高速光纤通信的不断发展，要保证通信系统的稳定性和可靠性，需要实时 监测光信号的质量。目前，单波长传输速率为 40Gb/s光纤通信系统已经实现了商用化， 在单波长上实现 160Gb/s甚至 320Gb/s是下一
14、个目标。然而，采用目前最快的光电探测 器和电采样示波器所能达到的测量带宽只有 6570GHz1。因此，对于单信道速率超过 100Gb/s的高速通信系统，已经无法用传统的电子仪器监测传输信号的质量。如果把采 样过程从电域转移到光域，即采用光采样，就能突破电子速率瓶颈、扩展传统采样技 术的带宽。在光采样系统中，利用低速率的采样光对高速光学信号在光域内进行采样， 随后得到的光采样信号被转换为电信号进行峰值探测，这样就避免了使用高带宽的电 子器件，其带宽仅由光采样门决定。 光采样系统具有监测高速光学数据信号所需的两个特性：首先，能够实现亚皮秒 分辨率，将最大可监测比特率拓展到 500Gb/s以上；其次
15、，采样速率可以在GHz以下， 从而避免使用高速电子器件2。 光采样在高比特率信号的波形和眼图测量、 相位调制信 号的星座图测量、 偏振态时域分辨测量和光纤传输损伤研究等方面得到广泛应用3。 如 今，光采样系统已经能测量比特率高达 640Gb/s的数据信号的眼图4。 本章将首先对光采样的实现方案和基本原理进行介绍；然后对光采样中的关键技 术：采样脉冲源、时钟恢复、采样门和光电探测及数据采集分别进行简单介绍；最后 对本文的工作给予简要说明。 1.2 光采样的实现方案及基本原理 已报道的光采样可归于以下三类：同步采样、异步采样和软件同步采样1 ，3。其中， 应用最早也最为广泛的是同步采样，其它两种都
16、是近几年才在同步采样的基础上发展 起来的。下面将对这三种方案的基本原理进行简单介绍。 1.2.1 同步采样 图 1-1 为同步光采样的系统框图。数据信号进入采样系统后分为两路，其中一路 1 进入时钟恢复单元以提取出信号的时钟分量，时钟信号经时钟处理单元处理后用来驱 动采样光脉冲源，使得采样光脉冲和信号光脉冲在速率上保持一定的同步关系；另一 路数据信号进入光采样门。光采样门是光采样系统的核心，其功能相当于一个全光逻 辑“与门”。采样光脉冲控制光采样门的开关，从而在光域内实现对信号光的采样，采 样门的输出光脉冲上便携带了采样时刻信号光的幅度信息。采样门的输出光脉冲经光 电探测器转换为电信号，然后进行峰值采样，如果知道与每个峰值相对应的采样时间， 就能得到数据信号的眼图。 图 1-1 同步光采样系统框图 图中实线箭头代表光域信号，中空箭头代表电域信号 在同步采样结构中，采样门的开启与数据信号同步，但有一个确定的频率偏移以 扫描整个比特时隙。采样脉冲与光学数据信号的同步和频率偏移通过时钟恢复单元和
