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Ultraschnelle optische Datensignale hochaufgelöst abtasten

In zukünftigen optischen Telekommunikationssystemen werden Bitraten von bis zu 640 Gbit/s auftreten. Um die Messtechnik zur Charakterisierung dabei eingesetzter Komponenten frühzeitig zur Verfügung zu stellen, wurde in der PTB ein ultraschnelles optisches Abtast-Oszilloskop mit einer Zeitauflösung unter 100 fs entwickelt.

Der verwendete Abtast-Laser: ein Erbium-dotierter Faserlaser, der 70 fs kurze Abtastimpulse liefert.

Als Folge des stetig wachsenden Bandbreite-Bedarfs weltweiter Telekommunikationssysteme wird bald nicht nur die Übertragung in Glasfasern, sondern auch die Verteilung der Daten in Schaltknoten optisch erfolgen. Laboranwendungen zum optischen Zeitmultiplexing erreichen bereits heute Übertragungsraten von bis zu 320 Gbit/s. Dabei werden neue ultraschnelle optische Messtechniken erforderlich.

Die bisher eingesetzten elektronischen Abtast-Oszilloskope sind mit einer Bandbreite von maximal 80 GHz allerdings nicht mehr für zukünftige höchstbitratige Systeme gewappnet. Optische Ab-tast-Oszilloskope eignen sich dagegen sehr gut. Bei ihnen wird das Lichtsignal nicht direkt über einen Photodetektor in ein elektrisches Signal umgewandelt, sondern zunächst mit sehr kurzen Lichtimpulsen mit niedriger Wiederholrate abgetastet. Dazu wird in einem nichtlinear-optischen Prozess das Produkt aus dem momentanen Datensignal und dem Abtast-Impuls gebildet. Wiederholtes Abtasten des Datensignals zu verschiedenen Zeiten liefert dann ein hochaufgelöstes Abbild seines zeitlichen Verlaufs.

Eine Voraussetzung dafür ist, dass die Abtastimpulse mit dem Datenstrom synchronisiert werden. Bei dem in der PTB aufgebauten optischen Abtast-Oszilloskop wird, basierend auf Techniken, die in der hochpräzisen Zeit- und Frequenzmessung in der PTB entwickelt wurden, ein neuartiges Synchronisationsverfahren mit einzigartigen Eigenschaften eingesetzt. Dabei kann eine Zeitauflösung von 70 fs erreicht werden. Die Zeitinstabilität beträgt nur wenige Femtosekunden.

Bedarf für derartige optische Abtast-Oszilloskope gibt es auch bei der Diagnose ultrakurzer Impulse, beispielsweise in der Femtochemie.

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