专利名称：全光学的、相位灵敏的光信号采样法的制作方法
技术领域：
本发明涉及光信号的电场的高速测量。具体而言，本发明涉及一种相干光学采样安排，这种安排特别适合于对通常包含光学编码数据的光学输入信号的完整电场(相位和幅值两者)进行测量。
背景技术：
在以新的、更复杂的数据调制格式为关键技术的光通信领域中，近期的发展已经产生了对光波波形表征工具的需要，这些工具能够从波形中提取出更多的信息，而不是简单地是它的作为时间函数的功率。通过调制光场相位和幅值两者来将数据编码到一种光载波中已经变得越来越有吸引力，并且看起来它是一种将会有助于提高未来的光纤通信链路能力的技术手段。然而，对光信号的完整电场进行测量(这对于将信号的相位和幅值两者的信息可视化而言是必需的)的需要所要求的是相干检测技术，这种技术在测量点处利用一个参考相位。在大多数情况下，相干检测采用了由一个分离的、独立的激光源产生的一个连续波 (Cff)本地振荡器(LO)参考信号。将光学输入信号(承载有光学编码的数据)与这样一个参考信号相“混合”的能力开拓了以下可能性，即测量出光学输入信号相对于参考LO信号的数据相关的、时变的相位变化。相干检测并不是一项新颖的技术；事实上，在20世纪80年代人们已经对它进行了广泛的研究并且提出将其作为一种高灵敏度光信号检测方案。然而，进行实施是困难的，并且随着铒掺杂光纤放大器(EDFA)的出现，相干检测系统的商业应用被搁置。尽管如此，在对更有光谱效率的调制格式的需要、以及在用于传输减损的接收后补偿的高速电子处理的可用性的驱动之下，该领域中的研究仍在继续并且最近引起了新的兴趣。向新颖的、先进的、用于光通信的调制格式的转变已经发展成将幅值和相位两者的调制进行结合，从而创造出对于能够测量光学输入信号的时变电场的新测量技术的一种需要。具体而言，高速光学输入信号的相干检测将要求测量系统具有相对大的带宽用于进行精确的信号重构。数字采样是一种能够为此目的提供足够带宽的技术。确实，数字采样是一种公知技术，用于(例如)借助一个采样门通过捕捉波形的多个准瞬时快照来使时变波形可视化。这个门是由一个脉冲序列中的多个窄脉冲(选通脉冲)来“打开”并“关闭”的，这些窄脉冲展现出一种明确定义的重复行为，使得最终该波形的所有部分都被采样。采样的实现方式可以是“实时的”亦或“等效时间的”，其中实时采样是指采样率高于波形的最高频率分量的两倍(奈奎斯特采样)的情况，而等效时间采样是指将一个任意的低采样率与一个“重复”波形一起使用以便提供精确的信号重构。需要“重复”波形是等效时间采样方式的一个基本性限制。
现有技术中有若干种基于数字采样的相干检测系统，它们通过将一个数据承载光学输入信号与一个参考信号相混合并且随后进行信号处理(用于信号重构和可视化)来协助该光学输入信号的电场的表征。以下简述了选出的多个现有技术解决方案，包括对特定限制的识别，本发明的传授内容将着手解决这些限制。
图1示出了一个示例性的、现有技术的光学检测安排1，用于测量一个数据承载光学输入信号S(实际上是包括以光载波频率振荡的时变光载波的一个信号s(t)；为了简便起见以下称作“S”)的电场，其方式为将该光学输入信号的电场与一个已知的CW本地振荡器参考信号LO在光学混合元件2中进行相干混合。光学混合器2用于在复数域空间中将这两个信号S和LO混合，以产生一组四个混合域光信号S+L0、S-L0、S+jL0以及S_jL0，如在图1中所示。然后，将一个平方律检测函数施加到这些信号上，以便将它们转换成光检测器电流(电信号)从而进行采样和研究。优选地，使用一种“平衡式检测器”安排，该安排允许将中频(IF)项抵消。如在图1中所示，第一对混合域光信号S+L0和S-LO作为分离的输入被施加到第一平衡式检测器3-A上，并且类似地，第二对混合域光信号S+jLO和S-jLO作为分离的输入被施加到第二平衡式检测器3-B上。来自平衡式检测器3-A和3-B的输出检测器电流对可以对应地表示为I1U) = 4|S(t) I iLOlcosCo^Ft+c^aHiK。,》，并且I2 (t) = 4 I S (t) I I LOI cos (ω IFt+ Φ s (t) + Φ LOj2),其中coIF=并且被定义为信号S与LO的电场之间的频率差，Φ,α)是光学输入信号的时变相位(与该信号的特定数据式样相关)并且量(Φα^-Φα^)被定义为来自光学混合器2的每个输出信号之间的“相对相移”。在现有技术的优选实施方案中，光学混合器2被构造为在相邻的输出之间保持一个90° (即，π /2弧度)的相移。再次参见图1，此后在一对模拟至数字(A/D)转换器5-Α和5_Β中被数字地采样以便产生输出样本流之前通过一对放大装置4-Α和4-Β将光电流对I1 (t)和I2 (t)放大，如在图1中的O1和A所示。最后，将数字流O1和A作为输入施加到信号处理器6上，该处理器的功能是基于这些数字样本流来产生光输入数据信号S的电场的一种可视化效果。在多数安排中，分离的激光源被用于产生数据承载光学输入信号S和参考信号 L0，这样使得COif兴0。因此，需要通过处理器6来计算IF以便提取出光学输入信号S的数据相关的相位调制Φ3α)。一旦移除了 IF部分，提取光学输入信号S的幅值和相位两者的信息并且由此以一种方便的方式(例如，星座图)将所测量的信号可视化就是简单明了的。如图1所示的现有技术的相干检测安排1采用了一种电子采样技术，该技术具有至少一个显著的缺点，即电子A/D转换器和采样电路(即，用于“电子采样”)的带宽限制。 确实，现今的A/D转换器中的最高可用模拟带宽是在20GHz的量级上(在最好情况下)；因此，最大可测量信号波特是大约10G波特。图2示出了用于相干检测的另一种示例性现有技术安排，在这种情况下它包括一个线性光学采样系统，该系统能够测量光学输入信号的完整电场。其配置类似于图1的配置，具有光学混合器2、多个平衡式检测器3、多个放大器4以及多个A/D转换器5，所有这些都如以上所讨论的那样起作用。
在这种情况下，光学输入信号S是在光学混合器2中与源自一个“脉冲调制的”采样激光源7的一个参考信号LO相混合的。图2中的现有技术的线性采样系统与图1中的电子采样系统的主要区别是图2的安排中使用了一个“脉冲调制的”LO信号源。相比之下，图 1的现有技术安排使用了一个连续波(CW)源。因此，脉冲调制的采样激光源7用作相干检测的参考信号LO的以及一个选通信号的源，该选通信号使得一种快速光学门控功能成为可能，这种功能是独立于A/D转换器5的有限带宽。通过将光学采样率降低到大大低于A/ D转换器5的模拟带宽，整个系统的“等效”测量带宽将仅受到光学采样门的时间分辨率的控制(粗略地为脉冲调制的LO参考源7的脉冲宽度，有利地是在几皮秒或更小的量级上)。与先前一样，将来自光学混合器2的这四个输出混合电场信号作为输入施加到一对平衡式检测器3-A和3-B上。然后，输出检测器电流I1 (t)和I2(t)被放大器4-A和4-B 放大并且作为分离的输入被施加到A/D转换器5上。在这种现有技术线性采样系统中，A/D 转换器5需要在与脉冲调制的采样激光源7相同的采样率下运行。为了实现这一点，在脉冲调制的采样激光源7与A/D转换器5之间串联地联接了一个光检测器8-D和一个脉冲发生器电路8-P，并且它们被用于产生一个时钟信号，该时钟信号使脉冲调制的采样激光源7 的采样率与A/D转换器5的采样率同步。借助所获得的、来自A/D转换器5的多批光检测器电流样本，为重构原始波形所要求的信号处理过程类似于对图1中的电子采样的情况下描述的处理过程，并且未明确地展示在图2中。然而，对于这种硬件实现方式仍有一些缺点，特别地涉及对脉冲调制的采样激光源的、严格的波长要求。也就是说，这种线性光学采样技术要求采样脉冲的光谱与光信号的光谱重叠，以便提供无失真的门控和使用相同激光源的相干混合。这个要求使得提供一种光学宽带测量系统的可能性变得复杂，因为如果光学输入信号的波长被改变，那么脉冲调制的采样激光源也必须适应其波长。另一个甚至更具挑战性的因素是，事实上脉冲调制的采样激光源7的脉冲至脉冲的相位稳定性必须是非常严格的；也就是说，每个脉冲都保持与前一脉冲的一种相位关系， 如同该脉冲是在采样率下来自一个CW激光源的输出的多个“脉冲雕刻(pulse carving)" 宽窄的、时间性的削波(例如，线宽< 1MHz)。虽然这种低相位噪音的源在本领域是已知的 (例如，被动锁模的光纤环激光器)，然而它们的重复率总体上是小于约20MHz。确实，并没有可调谐的、商业性的、适当低相位噪音的、能够提供典型地> 500MHz采样率的短脉冲源， 这种采样率对于鲁棒的IF恢复算法而言是最令人希望的。因此，在本领域中，对能够表征(可视化)高符号率(“波特”)光信号的完整电场、而不被有限的电子测量带宽或对没有必要地复杂的光学采样脉冲源所阻碍的一种安排仍有一种需要。发明_既述现有技术中仍存在的这些需要是通过本发明得以解决的，本发明涉及一种相干的光学采样安排，这种安排特别适合于对通常承载光学编码数据的光学输入信号的完整电场 (相位和幅值两者)进行测量。根据本发明的一个实施方案，一个数据承载光学输入信号S首先与一个参考本地振荡器信号LO在一个光学混合器中相干地混合，以便产生至少两个复合的输出信号，这些信号包括信号S和LO的复数域之和。以下使用保留了 S与LO之间的相对相位的一个分离的脉冲(“选通脉冲”)将这些复合输出信号各自独立采样(优选地在一种非线性光学系统)。在本发明的一个具体实施方案中，将选通信号作为输入施加到该光学混合器上而非将该选通信号作为直接输入施加到采样门上，该光学混合器结合在与光学输入信号S或者参考信号LO(优选地，参考信号L0)相同的信号路径上。在这种安排中，将一个光信号用作该选通信号。通过使该选通信号与信号S和LO—样穿过相同的光学元件(即，光学混合器)，消除了对在采样门的输入端处调整这些信号之间的相对定时的需要，因为所有信号将沿相同的光信号路径传播。在本发明的一个优选实施方案中，使用了一个90°的光学混合器以产生一组同相并正交的复数域之和作为这些复合输出信号，它们被指定为S+LO、S-LO、S+jLO、以及 S-jLO。本发明的一个重要的方面是，光学采样方法对任何脉冲至脉冲的相位不稳定性 (即，相位噪音)是不敏感的，这种不稳定性可能存在于选通源中并且因此允许恢复数据信号的相位和幅值两者的信息。一种(例如)实现了四波混合(FWM)的非线性光学采样方法是本发明的一种优选实现方式。可以使用与χ⑵或Χ (3)技术相关的其他非线性方法。本发明的一个偏振多路复用实施方案可以被用于减少处理来自光学混合器的该组输出信号所需要的某些相对昂贵的部件的数量。本发明的其他和进一步的方面及实施方案将在以下讨论的过程中并通过参考附图而变得清楚。附图简要说明现在参见附图，其中类似的标号代表在不同配置中的类似部件，图1展示了一种示例性的现有技术安排，该安排用于通过将相干混合与电采样和信号处理相结合来测量数据承载光学输入信号的电场；图2展示了一种替代性的现有技术配置，使用了一种被称为线性光学采样的技术，该技术对光学门控以及参考混合两者采用了一个单一的光脉冲源；图3展示了本发明的一个第一实施方案，使用多个分离的激光来产生LO参考信号和选通脉冲，同时采用了对来自光学混合器的多个复合输出信号的光学采样；图4是图3的实施方案的一种替代性安排，其中在光学混合器的输入端处将这些门控脉冲施加在参考信号LO上；图5展示了本发明的一个替代性的、偏振多路复用的实施方案；图6是与图5的实施方案的实现相关的一个定时图；并且图7展示了本发明的又一个实施方案，在这种情况下用于测量光学输入信号S的偏振的两个正交态。详细说明如以上所讨论的，取决于用来形成采样信号的选通脉冲(在此也被称为“门控”脉冲)的时间宽度，光学采样技术可以提供极高的带宽测量能力。在这个方面，已经展示了高达500GHz的测量带宽，并且已经用多种多样的非线性现象和硬件安排实现了光学采样。本发明的一个关键方面在于，除了提供一种高测量带宽以外，光学门控还在整个采样过程中保留了光学输入信号S与参考信号LO之间的相对相位关系，其中这种相对相位关系不受选通源的脉冲至脉冲的相位不稳定性的影响。在本发明的一个优选实施方案中， 这种相位保留是使用非线性光学系统作为采样部件的固有结果。因此，以此方式，可以恢复光学输入信号S的完整电场(相位和幅值)。这种非线性光学系统优选地在每个复合输出信号(在光学混合器的输出端处)与光选通源之间使用了四波混合(FWM)。这种示例性的FWM方法要求光学相位匹配以便进行有效的非线性相互作用，并且其结果是，所产生的、被采样的输出场具有受S、L0以及光选通源直接控制的相位。事实上， 如在以下将详细讨论的，S和LO的采样可以被看作多个分离的、独立的过程。因此，所产生的被采样的场的、来自光学输入信号S的那个部分将具有仅由S与选通源之间的相对相位差确定的一个光学相位；类似地，所产生的被采样的场的、与参考信号LO相关的那部分将具有同LO与选通源之间的相位差相关的一个光学相位。由于S和LO的采样事实上是与相同的选通脉冲同时进行的，所以当将S和LO相结合时这些选通脉冲的相位将不是关键性的，因为只有S和LO的这两个所产生的部分之间的相对相位差将会影响电场的测量。进一步地，由于本发明被设计为测量时变光学输入信号S的电场，所以提取相对相位信息的能力是具有挑战性的并且明显地必须在一种持续的基础上执行。确实，理解以下内容是关键性的，即由于本发明的采样过程将影响S(t)和LO的相位，其影响程度与它们传播通过采样系统时相同，所以在S的被采样版本与LO的被采样版本之间的相对相位从刚开始将直接由S与LO之间的相对相位来决定。这种相对相位本身可以被分解成两个单独的分量(1) 一个慢速的、中频(IF)相位部分，该部分同S与LO之间的光载波频率偏移量相关(能够由公知的信号处理工具移除以便提取感兴趣的光信号相位调制)；以及( 一个快速的、时变相位部分，该部分与光学输入信号S的数据调制相关。借助这一背景信息，现在可以理解本发明的一个第一实施方案的细节，其中图3 展示了一个示例性的光学相干检测系统10，该系统使用根据本发明的光学采样。如图所示， 将一个数据承载光学输入信号S和一个CW本地振荡器参考信号L0(来自在一个不同的波长即光学频率下运行的受控激光源1 作为分离的输入施加到一个光学混合器14上。与以上讨论的这些现有技术系统一样，使用90°的光学混合器是优选的但并不强求。如在本领域中公知的，光学混合器14的作用是首先沿四个分离的光学路径拆分信号S和L0，沿至少一条路径引入一个预先确定的相位延迟，然后沿一组输出信号路径将这些分量相结合以形成一组复合输出信号。在使用90°光学混合器的优选情况下，形成了一组四个复合输出信号(一对同相信号以及一对正交相位信号)，这些信号包括它们的复数域之和的分量。在光学混合器14中进行相干混合之后，随后在一种采样过程中对这四个复合输出信号进行采样，该采样过程是在多个采样门16-1、16-2、16-3和16_4内实现，其中根据本发明的传授内容每个采样门16被放置为接收来自混合器14的四个复数域之和输出中的一个分离的输出。如将在以下所讨论的，该采样过程可以使用电子采样脉冲或者光学采样脉冲，并且可以使用线性亦或非线性的采样方法。根据本发明的这个图3的实施方案，“门控脉冲”的一个脉冲序列P是由一个选通源18 (该源在与S亦或LO不同的波长(如果是光学的)下运行)创建的并且作为一个分离的输入被施加到采样门16-1至16-4中的每一个上。选通源18在一个已知的重复率fs下提供了一个脉冲序列P，当这些复合输出信号传播通过每个采样门并且在采样门16的输出端处产生它们被采样的版本时，该脉冲序列将与它们中的每一个相互作用。应当理解，脉冲序列P不需要包括具有恒定时间间隔的脉冲(即，由一个常数fs表征的)，但是可以包括任何已知的、重复的式样。通过采用在每个复合输出信号与这些门控脉冲之间的一种优选的非线性相互作用，每个采样门16-1至16-4在与这些门控脉冲、S以及LO分离的载波频率上产生了一个新的、脉冲调制的光场(“闲频信号”)。所产生的每个脉冲(样本)的能量都与在每个非线性采样门之内的每个复合输出信号与这些门控脉冲之间的时间重合处的信号功率成正比。如以上所讨论的，S和LO的采样可以被看作多个分离的、独立的过程。因此，在每个采样门16-x之内，所产生的、来自光学输入信号S的、被采样的场将具有仅由S与选通源之间的相对相位差决定的一个光学相位。类似地，所产生的被采样的场的、与参考信号LO 相关的那部分将具有仅同LO与选通源之间的相位差相关的一个光学相位。确实，这种示例性的采样方法在该复合输出信号的每个部分上独立地运行。因此，当将这两个独立的部分相结合时，这些选通脉冲的相位将不是关键的，因为只有S和LO的两个所产生的部分之间的相对相位差才会影响电场的测量。本发明的一个重要方面是，将这些复合输出信号各自的采样仔细地进行同步(例如，通过将一个或多个光学延迟15引入到混合器14与该多个采样门16之间的一个或多个信号路径中)以便确保在这些分离的门16-1、16-2、16-3和16_4的每一个中对信号S和LO 的相同部分进行采样。可以想象，这种调整将会在制造测量装置的过程中进行并且随后将会保持不变。然而，还有可能配置一种“可调谐的”安排，其中可以在使用中调节沿一个或多个信号路径的延迟，以便抵消例如环境、老化、或类似因素。如以上所提及的，这些复合输出信号的被采样的版本是在与S和LO(以及选通源) 的原始电场的对应波长相分离的新的波长上产生的。用于处理和测量光学输入信号S的完整电场的被采样版本是从出现在每个采样门16的输出端处的信号的其他分量中提取的。 如在图3中所示，每条路径包括一个分离的带通滤波元件22-1、22-2、22-3和22_4，该元件被“调谐”为仅允许这些被采样的版本通过系统继续传播。此后将被滤波的样本作为输入施加到一对平衡式检测器20-1、20-2上。平衡式检测器20-1、20-2按照以上说明的与现有技术检测器3相关的方式工作，其中这些复合输出信号的被采样版本的平方律平衡式检测造成只有S与LO之间的“混合”项将保留在对应地来自检测器20-1和20-2的输出电流 I1W和I2(t)中。理想状况下，非混合项是在平衡式检测过程中通过减法来消除的。在平衡式检测之后，在一个A/D转换器M中单独地进行电采样之前，可以将电流I1 (t)和I2 (t) 放大(未示出)。根据本发明，在A/D转换器M中使用的采样率必须是与由选通源18的重复频率 fs所确定的光学采样率基本上同步的(即，等于该光学采样率、是其倍数、或者是其约数)。 而且，优选地在A/D转换器M的每个输入端处放置有一个分离受控的延时元件23，以便调整在A/D转换器M的每个通道中的电采样与这些进入电信号之间的定时，从而确保每个信号本质上都在其峰值处被采样。与以上所讨论的延迟安排相同，按照惯例这种调整将在系统的制造过程中进行并且随后被保持不变。进一步地，A/D转换器M的模拟带宽必须足够大以便分离每个被采样的值(优选地，至少在重复频率fs的量级上)，但该带宽仍然大大低于原始光学输入信号S的可能带
觅ο当样本流在A/D转换器M中数字化之后，将它们作为输入施加到一个信号处理器 26上，该处理器用于去除S与LO之间的IF分量的影响并且然后提取出光学输入信号S的时变电场幅值和相位。如在图3中所示，本发明的安排产生了关于作为时间函数的原始输入信号S的幅值和相位的被采样信息。其结果是，本发明的检测安排提供了将所测量的信号非常详细地且以多种方式进行可视化的可能性。例如，光信号场可以在一张星座图中被可视化，该星座图代表光场向量(相矢量)的复平面。由于星座图不展示光信号的时间依赖部分，也有可能在一种眼图或以数据式样的形式来将相位、幅值或光功率可视化，从而包含这个时变部分。 应当理解，将这些数据可视化的这个或这些模式是独立于本发明的细节的并且正确地说是用户的一种设计选择。在图3的实施方案的一个替代方案中，可以由一组四个分离的光检测器(未示出) 来替换该对平衡式检测器20-1、20-2，每个光检测器联接到来自采样门16-1至16-4的四个输出端中的一个分离的输出端上。然后，所产生的这四个光电流将各自单独地通过一个A/ D转换过程，其中此后将在信号处理器沈中对所必需的“平衡式检测”进行仿真以便最终产生与使用一对平衡式检测器时相同的功能性。在又一个替代方案中，仅有来自光学混合器14的这些复合信号输出的一个子集 (例如，单一的一对正交输出)可能经受进一步处理(例如，正交输出S+L0和S+jLO)。这种替代方案被称为“单端的”检测并且采用了在光学混合器14下游的更少数量的部件(即， 一对采样门、一个单一的平衡式检测器以及一个单一的A/D转换器)。然而，在这种情况下， 复数域之和中的非混合项将被承载贯穿整个过程并且因此保持在这些检测器的输出端处。 因此，为了在这些非混合项的存在下对电场幅值和相位进行适当的测量，将要求更高的LO 对S比率(与平衡式检测的情况相比)。在图3的实施方案的又一个替代方案中，通过将脉冲序列P作为输入施加到光学混合器14上而回避了对在光学混合器14与采样门16之间的一种光学延迟安排的需要。图 4展示了这个替代方案，其中通过使脉冲序列P通过与信号S和LO相同的部件(即，光学混合器14)，自动地确保了脉冲P将对光学输入信号S的相同的时间部分进行采样，并且不需要在这些采样门的输入端处使用延迟元件。另外，如果起始已对齐，那么脉冲序列P的SOP 以及四个复合输出信号的每一个中的LO场(或S场)部分将保持基本对齐，从而消除了使用偏振保持光纤的需要。如在图4中所示，来自激光源12的参考信号LO首先与来自选通源18的脉冲序列 P在一个光耦合器9中相结合以产生一个多路复用输出信号，如在图4中的L0/P所示。当与光学混合器14之内的光学输入信号S结合时，其结果是与脉冲序列P共传播的一组四个复数域之和，将来自光学混合器14的输出标记为图4中的(S+L0)/P、(S-LO)/P、(S+jLO)/ P和(S-jL0)/P。然后，将每个复合输出信号及其相关的脉冲序列P的组合作为输入施加到该多个采样门16-1至16-4中的一个分离的采样门上，并且以上述方式对其进行处理。虽然图4展示的是将脉冲序列P与参考信号LO相结合，然而应当理解，脉冲序列P可以替代性地与光学输入信号S相结合(如在图4中以虚线所示)。
返回参见图3的安排10，可以看到这种配置要求采样门16的数目等于来自光学混合器14的输出的数目，同时通向A/D转换器M的输入通道数目必须是采样门16的数目的一半(当使用平衡式检测时)。这些采样门和A/D转换器代表在整个系统中相对昂贵的部件，并且因此，提供一种具有更少数目的这些部件的安排将是有吸引力的。图5展示了本发明的一个实施方案，该实施方案提供减少所要求的成本高昂的部件的数量。在这一情况下，通过在光学混合器的输出端处插入一种偏振多路复用安排来使用偏振分集技术。具体而言，来自光学混合器14的复合输出信号的多个正交对在采样之前被偏振多路复用，以便将采样门、平衡式检测器以及A/D转换器通道的数目减少一半。也就是说，将信号对S+L0、S+jL0用作一个第一正交信号对，并且将信号对S-L0、S-jL0用作一个第二正交信号对。这个实施方案正确工作的一个必要前提是，该采样过程强烈地依赖于这些相互作用的采样脉冲的以及正被采样的光场的相对偏振态(SOP)。只要这是有可能的(如当使用例如FWM作为一种非线性采样功能性)，就在同一个采样门中创建两个正交偏振的、独立的采样路径。然后，可以将每个采样门中的这些正交偏振的、独立的采样路径用于独立地且同时地对来自光学混合器14的这些复合输出信号中的两个信号进行采样；因此，将采样门的数目减少了一半。图5中示出了这个偏振多路复用实施方案的细节，其中光学输入信号S首先以与上述方式相同的方式在光学混合器14之内与参考信号LO进行相干混合。还使用相同的选通源18来产生在重复频率fs下的门控脉冲的一个脉冲序列。然而，在图5的实施方案中除了混合器16和选通源18的输出之外，所有其他部件都应当是“保持偏振的”，因为这些相互作用的场的对齐是关键的，并且必须避免这些正交信号流之间的“串扰”。参见图5中展示的具体的偏振多路复用实现方式，首先将选通源18的输出作为输入施加到一个偏振保持功率拆分器32上以产生一组四个采样脉冲输出流，在图5中标记为 Ρ-1、Ρ-2、Ρ-3和P-4。这些采样脉冲流(各自沿一条偏振保持信号路径传播)之后对应地在一组四个偏振保持光耦合器34-1、34-2、34-3和34_4中与来自光学混合器14的四个复合信号输出相结合。在每个光耦合器34的输出端处，将所有三个信号(S、LO和P)的结合的场进行共偏振(即每个信号展示出同样的SOP)。由于将选通源18的波长选择为能被很好地从S和LO的波长中移除，所以可以使用波分复用器(例如“WDM耦合器”)来实现具有相对较低损耗的耦合器34。来自耦合器34-1和34-2的、对应地代表复合输出信号S+L0和S+jLO的偏振保持输出信号之后将作为分离的输入被施加到一个第一偏振光束拆分器/合并器(PBQ 36-1 上。如所示的，将这些信号施加到正交取向的输入端上，从而允许它们沿一条单一的输出信号路径(标记为0-1)进行结合，同时保持它们之间的完全分离(也就是说，未在它们之间引入任何串扰)。以一种类似的方式，将来自耦合器34-3和34-4的偏振保持复合输出信号作为正交输入施加到一个第二 PBS 36-2上，从而允许这些信号被发送到一条输出信号路径0-2上同时维持它们分离的、正交的取向。此后将沿第一输出信号路径0-1传播的偏振保持信号对(代表S+L0和S+jLO)作为一个输入施加到一个第一采样门38-1上，其中沿输出路径0-2的这些信号(代表S-LO 和S-jLO)耦合到一个第二采样门38-2中。通过使用强烈偏振依赖的方法来实现采样门 38-1、38-2，来自混合器14的复数域之和将在它们传播通过其中时维持它们对应的S0P，从而允许该信号对穿过一个单一的采样门被采样而不在它们之间引入串扰。在每个非线性采样门之内使用FWM方法造成这些信号的被采样版本是在与S、LO 以及选通源18的波长很好地分离的一个波长下产生的。其结果是，可以用一个滤光器(未示出)提取所产生的样本流，其中此后将所过滤的这些流作为分离的输入施加到一个偏振保持平衡式检测器40上。为了使图5中展示的偏振多路复用采样方案正确工作，源自S+LO、S-LO对的样本的平衡式检测需要与源自S+jLO、S-jLO的样本平衡式检测分离开。在图5的实施方案中， 这种功能性是通过例如在光学采样门38-1、38-2中使这些正交采样路径的采样进行时间交叉而实现的。图6示出了一个定时图，该图有助于理解对这一目的有用的一种示例性的定时对齐。在该定时图中将复数域之和S+L0、S+jLQ、S_L0、S-jLO示出为虚线的波形，此外将对应的采样脉冲P-l、P_2、P-3和P-4示出为实线的脉冲。关键在于，使用来自功率拆分器32的每个对应的采样脉冲流来在所有四条采样路径中对光学输入信号S的相同部分进行采样， 以便做出光学输入信号S的精确的电场测量。参见图7，时间、和t2标记了光学输入信号S的两个连续的采样位置，这些位置由这些被采样的光学脉冲调制的时间间距1/4分离开。如同样示出的，进入采样门38-1 的、正交偏振的复合输出信号对S+LO、S+jLO相对彼此延迟了大约1Λ2 ；)。对应的采样脉冲P-I和P-2也是适当地相对彼此延迟的，以便使它们相关的复合输出信号对于这两个偏振在采样时间、和t2处重叠。图6中还示出了对于进入采样门38-2的、正交偏振的复合输出信号S-LO和S-jLO的一个类似的相对延迟。因此，来自采样门38-1、38-2的输出是处于采样率2fs下(这个采样率保持了它们的相对分离)的两个分离的样本流。此后，将这些流作为输入施加到平衡式检测器40上， 其中源自S+L0和S-LO的这些样本必须同时进入平衡式检测器40中，以便在平衡式检测过程中被正确地减去。对于来自复数域之和S+jL0和S-jL0对的样本存在类似的定时条件。然后，所产生的、来自平衡式检测器40的电脉冲流I(t)在放大器42中被放大并且在一个单一的通道A/D转换器44中通过电采样被数字化，其中需要该A/D转换器能够在采样率2&下对进入电信号I(t)进行采样。再次，需要相对于I (t)将采样进行适当的延迟，以便在信号图示的峰值处采样。在所测量的样本的数字化之后，将源自S+L0和S-LO的那些样本与源自S+jL0和 S-jLO的样本相分离是简单的。将这两个数字样本流作为输入施加到一个信号处理器46 上，该处理器用于去除原始光学输入信号S与参考信号LO之间的IF的影响、并且然后提取出光学输入信号S的时变电场幅值和相位信息。通过在同一种非线性介质(例如，高度非线性光纤)中使用独立的、反向传播的采样门，有可能更进一步减少图5的实施方案中的关键部件。例如，可以用一对光学循环器来替换采样门38-1和38-2，其中它们之间置有一个单一的非线性光学采样门，因此在两个传播方向上实现了采样的功能性。除了减少昂贵硬件的数量之外，这个实施方案协助实现了在宽的波长范围内、在所有门中接近相同的采样效率。在图6的实施方案的又一个替代方案中，可以用一对两个分离的检测器来替换平衡式检测器40，随后是这两个样本流的放大和单独的A/D转换。如以上在图3的实施方案中所提及的，然后可以在处理器46中模拟“平衡式”检测方法以获得相同的功能性。可以使用同样的方式来提高有效采样率，而不增加所要求的ADC采样速度和带宽。当光学采样带宽比ADC模拟带宽高得多时，这种手段是有用的，例如，用于在高波特下实现实时采样。图3和图5中展示的、本发明的实施方案受限于对光学输入信号S的一个偏振轴线的测量。因此，光学输入信号S应当正确地对齐到光学混合器的解决方案中，以便优化信号的测量。然而，图7展示了本发明的一个实施方案，它扩展了用于测量光学输入信号S的正交偏振分量的、创造性的功能。图7示出了一种偏振分集的方案，其中通过使用例如一个偏振光束拆分器(PBQ 50将光学输入信号S分解成两个正交的、线性偏振的场分量、和SY。 然后，可以使用本发明的上述实施方案中的任何一种来单独地测量这两个偏振场分量&和 SY。在图3和图5中示出的实施方案中使用的LO参考激光器和选通源可以被再次用于测量&和Sy两者，由此减少所需要的硬件。通过在与原始光学输入信号S的共同被采样的“削波”相对应的时间处测量这两个偏振场分量&和SY，有可能通过将所测量的场分量&和Sy结合回到光学输入信号S的原始电场中来实现光学输入信号S的偏振独立测量的功能。在这种情况下，可以在所测量的来自仅一个SOP的样本上执行负责IF恢复的、本发明的信号处理部分，并且可以将产生的、计算出的IF从这两个测量值中移除。然而，对于某些数据调制格式(例如，偏振多路复用格式)，可以将信息在正交SOP中编码。对于这些类型的光学输入信号，图7中所示的偏振分集的方案可以被用于测量完整光信号场，包括当该信号场包括独立的、偏振多路复用的数据承载信号。由对Sx和Sy的测量，可以将这两个包括偏振多路复用光学输入信号的、独立的、正交偏振的数据承载信号单独地恢复和可视化。(应注意的是，Sx和Sy —般并不代表特有的偏振多路复用数据承载信号，而是各自包括它们的一种混合。)可以按若干方式来利用偏振多路复用光学输入信号的、来自&和Sy的这两个正交偏振部分。例如，可以将光学输入信号S的输入SOP调整 (例如借助偏振控制器)为使得&和Sy直接代表包括偏振多路复用信号的两个上述的正交偏振数据承载信号。在这种情况下，IF恢复可以在本发明的信号处理部分中独立于&和 Sy而进行。可替代地，对于当&和Sy是独立的光信号时的偏振多路复用数据承载信号的情况，也有可能通过在PBS 50之后包括一个光学2至1开关以在测量Sx和Sy之间切换从而用同一组门来测量&和Syo如果偏振多路复用信号的这两个正交偏振数据承载信号部分不是与&和Sy(它们在上述实施方案中是由PBS 50的轴线定义的)对齐的，那么可以使用已知的算法在本发明的信号处理部分中恢复偏振多路复用光学输入信号S的这两个正交偏振部分。为了使用本发明以一种要求每个样本的定时信息的方式(例如，眼图或数据样式可视化)将所测量的、光学输入信号S的电场可视化，必须使用一种方法来获得时基。现有技术的时基设计有大量选择，可以使用包括(举例而言)硬件触发的序列采样技术、基于软件的序列采样技术、实时采样技术。然而应当理解，本发明可以用不同的时基设计来实现， 只要采样率对IF恢复而言是足够高的。用于IF恢复的新算法常规地在科学和专利文献中有所描述，并且因而无法容易地指定对于某一个IF的最小采样率。尽管如此，为了使得对于例如在光学输入信号S的光载波中的相位噪音(例如，与一个具有相对宽的线宽(如大于IMHz)的发射激光器相关的)的容差最大化，并且为了允许根据多种多样的已知的每码元多位调制格式(例如，QPSK、16-QAM、等等)而调制的重复光学输入信号的重构，一般优选地是采样率超过500MHz。应当注意的是，将光学输入信号S的电场在一张星座图上进行可视化并不需要时基，因为星座图不包括明显的定时信息。 应当理解，其他的优点和更改对于本领域的普通技术人员来说将是容易想到的。 因此，本发明在其更宽泛的方面上并不局限于在此所展示或说明的具体细节和代表性实施方案。因此，可以做出不同的更改而不背离如由附加于此的权利要求书所限定的总发明概念的精神和范围。
权利要求
1.一种用于评估光学输入信号S的完整电场，即幅值和相位，的光学采样安排，该光学输入信号通常包括光学编码的数据，该光学采样安排包括一个光源，该光源用于产生一个本地振荡器参考信号LO ；一个光学混合器，该光学混合器响应于该光学输入信号S以及该参考信号LO用于将所述S和LO信号进行结合并且由此产生至少两个复合输出信号，这些复合输出信号包括所述 S和LO信号的复数域之和，而这些信号之间有一种已知的相位关系；一个选通源，该选通源用于在一个预先确定的频率fs下产生多个门控脉冲；至少两个采样元件，每个采样元件响应于来自该光学混合器的该至少两个复合输出信号中的一个分离的信号并且具有受来自该选通源的多个门控脉冲控制的一种门控功能，用于将所施加的复合光信号转变成一个复合信号样本的系列，所述至少两个系列的复合信号样本各自的相对相位对于所述选通源的脉冲至脉冲相位变化而言是独立的并且不变的；一个光电转换元件，该转换元件用于将来自该至少两个采样元件的该至少两个系列的复合信号样本转变成对应的电的样本流；以及一个信号处理器，该信号处理器用于将这些电的样本流数字化并且从中提取出该光学输入信号S的电场的至少一个被采样版本的一种表示。
2.如权利要求1所述的光学采样安排，其中该光学混合器包括一个90°的光学混合器并且产生一组四个分离的复合输出信号，这些输出信号包括被定义为S+LO、S-LO、S+jLO以及S-jLO的复数域之和。
3.如权利要求1所述的光学采样安排，其中每个采样元件包括一个电光学采样元件。
4.如权利要求1所述的光学采样安排，其中每个采样元件包括一个光学采样元件。
5.如权利要求4所述的光学采样安排，其中每个光学采样元件包括一个非线性光学采样元件。
6.如权利要求5所述的光学采样安排，其中每个非线性光学采样元件使用了一种四波混合(FWM)过程来产生其复合信号样本的系列。
7.如权利要求6所述的光学采样安排，其中每个非线性光学采样元件包括一段高度非线性光纤(HNLF)用于提供该FWM功能。
8.如权利要求1所述的光学采样安排，其中该选通源产生了多个电子门控脉冲。
9.如权利要求1所述的光学采样安排，其中该选通源产生了多个光学门控脉冲。
10.如权利要求1所述的光学采样安排，其中该安排进一步包括介于该光学混合器与该至少两个采样元件之间的至少一个延迟元件，该延迟元件用于使将该至少两个复合输出信号的施加与它们对应的采样门同步。
11.如权利要求1所述的光学采样安排，其中该安排进一步包括一个置于该光学混合器与该至少两个采样门之间的偏振多路复用部件，该偏振多路复用部件用于将多对正交的复合输出信号插入到达一个相关的采样门的一个公共信号路径输入上，其中每个采样门被配置为进行这些对应的对的多个时间部分的时间交叉采样，每个被采样的对与该光学输入信号的多个公共时间部分相对应。
12.如权利要求1所述的光学采样安排，其中该光学输入信号S包括一对偏振多路复用、数据承载信号，并且该安排进一步包括一个偏振保持部件，该偏振保持部件置于输入到该光学混合器的光学输入信号S处以便将该偏振多路复用光学输入信号S分解成一对正交偏振分量，其中该光学混合器包括一对分离的、相位互异的光学混合器元件，它们各自响应于该光学输入信号S的这对正交偏振分量中的一个分离的分量。
13.如权利要求1所述的光学采样安排，其中这些门控脉冲是作为多个分离的输入被施加到该至少两个采样元件上。
14.如权利要求1所述的光学采样安排，其中这些门控脉冲是作为一个输入被施加到该光学混合器上。
15.如权利要求14所述的光学采样安排，其中这些门控脉冲是在该光学混合器的输入端处与该参考信号LO相耦合的。
16.如权利要求14所述的光学采样安排，其中这些门控脉冲是在该光学混合器的输入端处与该光学输入信号S相耦合的。
17.一种光学采样用于对光学输入信号的电场的表示进行测量的光学采样方法，该方法包括以下步骤将该光学输入信号与一个参考光信号在一个光学混合器中进行混合，以便产生该光信号的至少两个复本以及该参考光信号的同样数目的复本；将这些复本组合成至少两个输出信号，其中，在每个输出信号中该光学输入信号分量与该参考信号分量之间的相对相位是不同的；在一个预先确定的频率fs下产生多个门控脉冲；使用这些门控脉冲对该至少两个输出信号进行采样，以便产生同样数目的输出光样本脉冲调制的系列；将该至少两个系列的输出光样本脉冲转换成同样数目的电的样本流；并且对该至少两个电的样本流进行处理以便将所述样本流数字化并且从中提取出该光学输入信号的电场的至少一个被采样版本的一种表示。
全文摘要
一种光学采样用于对光学输入信号的时变电场进行高速测量的光学采样安排利用了该光学输入信号与一个参考激光源在相位互异的光学混合器解决方案中进行的相干混合，随后进行的是在该光学混合器的输出端处对这些相干混合场的光学采样。然后对所产生的光学样本流进行检测和信号处理，以便重构原始光学输入信号的电场的一个被采样的版本。
文档编号H04B10/148GK102308500SQ201080007126
公开日2012年1月4日 申请日期2010年2月23日 优先权日2009年2月23日
发明者B·吕谢, H·桑那拉德, M·斯克尔德, M·韦斯特伦德, P·安德里克森 申请人:爱斯福公司