Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Ultraschnelles optisches Abtast-Oszilloskop

Die benötigte Bandbreite moderner optischer Datenübertragungssysteme steigt stetig an. Ein Ansatz zur Erhöhung der Bandbreite ist das 'optical time-division-multiplexing' (OTDM), bei dem mehrere Bitströme mit einer Datenrate von 10 Gbit/s zeitlich ineinander zu einem Datenstrom höherer Bitrate verschachtelt werden. Auf diese Weise wurden in Laboranwendungen bereits Bitraten von bis zu 640 Gbit/s realisiert, was 64 mal so hoch wie beim etablierten Stand der Technik ist.
Bei diesen Datenraten wirken sich Störeffekte in gepulsten Laserlichtquellen, Fasern und sonstigen Baugruppen der Übertragungsstrecke besonders kritisch auf die Bit-Fehlerrate aus. Die Bandbreite elektronischer Abtastoszilloskope von maximal 100 GHz reicht allerdings nicht aus, um höchstbitratige Datenströme zu analysieren. Deshalb ist es essenziell wichtig, neue Messmethoden zur Charakterisierung von OTDM-Signalen zu entwickeln. Eine Möglichkeit besteht darin, den optischen Datenstrom mit kurzen Lichtimpulsen niedrigerer Wiederholrate abzutasten. Diese rein optische Abtastung kann durch eine Kreuzkorrelation zwischen den Abtastimpulsen und dem Datenstrom erfolgen, die entweder auf linearer Optik (Auswertung des Interferenzkontrastes) oder auf nichtlinearer Optik (z.B. Summenfrequenzerzeugung) basiert [1]. Das Kreuzkorrelationssignal spiegelt dabei die Leistung des Datenstroms während des Abtastimpulses wieder.

Bei herkömmlichen optischen Abtastoszilloskopen ist die Abtastfrequenz leicht gegen die Datenrate verstimmt (asynchrone Abtastung). Dadurch wird über einen Noniuseffekt sukzessive die Form der sich auf dem Raster des Datentaktes wiederholenden Datenbits abgetastet. Die abgetasteten Daten werden dann in sogenannten Augendiagrammen dargestellt. Bei dem in der Arbeitsgruppe 4.53 entwickelten, neuartigen Abtastverfahren wird hingegen die Repetitionsrate der Abtastimpulse aus einem modengekoppelten Erbium-Faserlaser, die mittels einer Freiraumstrecke im Laseroszillator einstellbar ist, mit dem 10 GHz-Daten-Grundtakt synchronisiert. Dazu wird in einem Phasenregelkreis das Schwebungssignal zwischen einer  geeigneten hohe Harmonische der Abtastrate  und dem 10 GHz-Taktsignal phasenstarr an das  HF-Ausgangssignal eines DDS (direct digital synthesizer) gekoppelt [2]. Durch geeignete Wahl des sog. tuning-word  dieses Oszillators wird sichergestellt, dass immer das selbe Bit eines periodisch wiederholten Datenwortes abgetastet wird. Derartige (oftmals sehr lange) periodisch wiederholte Datenworte werden als sog. PRBS  (pseudo-random bit sequence) für die Bit-Fehleranalyse von Übertragungsstrecken verwendet. Die, hier erstmalig demonstrierte, wortsynchrone Abtastung  ermöglicht die Aufdeckung von systematischen Bitfehlern, wie sie etwa durch Überschwinger in Verstärkern auftreten. Ein Beispiel für einen, für systematische Fehler anfällige, Datenstrom  wird in Abb. 1 gezeigt. Man erkennt, dass die Nullen bei 225 ps und 250 ps aus perfekt unterdrückten Impulsen bestehen, während die Unterdrückung bei 75 ps und 175 ps ungenügend ist. Entsprechend starke Schwankungen sieht man auch für die Einsen. 
Die Zeitauflösung unseres optischen Abtastoszilloskops ist besser als 100 fs, gegeben durch die Länge der Abtastimpulse bzw. durch Gruppenlaufzeitdispersion im nichtlinearen Kreuzkorrelator. Daraus ergibt sich eine  Bandbreite unseres optischen Abtastoszilloskops im THz-Bereich  was ca. eine Größenordnung besser ist als bei kommerziell erhältlichen Geräten.

Abb. 1: Wortsynchron abgetasteter PRBS (pseudo-random bit sequence) Datenstrom, Datenformat: 40 Gbit/s, return-to-zero code