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Ultraschnelles optisches Abtast-Oszilloskop für höchstbitratige Telekommunikationssysteme

Kategorien:
  • Grundlagen der Metrologie
31.12.2004

In kommerziellen optischen Telekommunikationssystemen steht ein Wechsel zu einer Datenrate von 40 Gbit/s bevor, einige Forschungsanwendungen nutzen bereits bis zu 640 Gbit/s. Bei solch hohen Datenraten können Effekte wie Polarisationsmodendispersion oder Kreuz-Phasenmodulation in Komponenten wie Multiplexern, Regeneratoren oder Faserstrecken zu Übertragungsfehlern führen.

Eine etablierte Charakterisierungsmethode in langsameren Systemen ist die direkte Wandlung des optischen Datensignals in ein elektrisches Signal mittels eines Detektors und anschließende Analyse mit einem elektronischen Abtast-Oszilloskop, z. B. durch so genannte Augendiagramme. Augendiagramme ergeben sich durch die überlagerte Darstellung der abgetasteten Bits eines Datenstroms und liefern somit statistische Informationen über das Datensignal. Die Bandbreite dieser elektronischen Methode ist jedoch durch die Geschwindigkeit des Detektors und des elektronischen Abtast-Oszilloskops begrenzt und beträgt heute maximal 80 GHz, wobei bereits starke Verzerrungen des Signals, z. B. durch Nachschwingen im Detektor, auftreten.

Bei optischen Abtast-Oszilloskopen wird dagegen eine Kreuzkorrelation zwischen dem Datensignal und kurzen optischen Abtast-Impulsen gebildet, bevor die Umwandlung in ein elektrisches Signal stattfindet. Die Rate der Abtast-Impulse ist dabei geringer als die Datenrate und erlaubt daher die Detektion mit einem langsamen elektronischen System. Bei herkömmlichen optischen Abtast-Oszilloskopen stehen die Daten- und Abtastraten in einem bekannten, ungeradzahligen Verhältnis, wodurch die Folge der Abtast-Impulse den Datenstrom abtastet und so die Darstellung eines Augendiagramms ermöglicht.

Bei dem neu entwickelten optischen Abtast-Oszilloskop wird dagegen die Rate der Abtast-Impulse auf die Datenrate synchronisiert. Der Datenstrom und die Abtast-Impulse werden dann durch eine variable Verzögerungsstrecke gegeneinander verschoben. Dieses neuartige Verfahren ermöglicht es neben der Darstellung als Augendiagramm, die Verschiebeeinheit, z. B. bei maximal geöffnetem Auge oder an Flanken des Datenstroms, anzuhalten und dort das Signal über lange Zeit zu verfolgen.

Zur Bildung der Kreuzkorrelation zwischen Datensignal und Abtast-Impulsen wurden zwei komplementäre Ansätze untersucht und implementiert. Zum einen wurde die Intensitäts-Kreuzkorrelation durch Summenfrequenzerzeugung in nichtlinear-optischen Kristallen gebildet (nichtlineares Abtasten) [1], zum anderen die Feld-Kreuzkorrelation durch Messung der Schwebungsamplitude zwischen Datensignal und Abtast-Impulsen bei in der Trägerfrequenzdomäne phasenstarrer Ankopplung des optischen Trägers der Abtast-Impulse an den des Datensignals (lineares Abtasten) [2]. Der Vorteil beim nichtlinearen Abtasten ist, dass das Messsignal ohne weitere Anforderungen an die Abtast-Impulse direkt proportional zur Intensität des Datensignals ist. Der Nachteil ist die relativ geringe Sensitivität dieses Ansatzes auf Grund der geringen Effizienz des nichtlinear-optischen Prozesses. Der Vorteil des linearen Abtastens ist die um drei Größenordnungen bessere Sensitivität, allerdings müssen die Spektren des Datenstroms und der Abtastimpulse überlappen, und der Abtastimpuls muss im Überlappungsbereich bandbreiten begrenzt sein.

Die Länge der Abtastimpulse im vorgestellten System beträgt ca. 70 fs, so dass die Zeitauflösung des optischen Abtast-Oszilloskops bei unter 100 fs liegt. Als Abtastlaser wird ein Erbium-dotierter Faserlaser mit Freiraumstrecke zur Anpassung der Repetitionsrate (ca. 56 MHz) an die Datenrate eingesetzt [3]. Die zeitliche Instabilität der Synchronisation zwischen dem Daten- und Abtastlaser wurde durch Detektion der zeitlichen Fluktuation beim Abtasten an den Flanken der Datenimpulse gemessen und beträgt weniger als 10 fs. Bei linearer Abtastung wurde erstmals eine amplitudenmodulations kompensierte Messung der zeitlichen Instabilität durchgeführt.

Neben der Messung von Augendiagrammen kann das Abtast-Oszilloskop auch zur Charakterisierung von Laserimpulsen eingesetzt werden. Dies hat gegenüber der herkömmlichen Autokorrelationsmethode den Vorteil, dass direkt das Intensitätsprofil der Impulse dargestellt wird, wodurch Details in den Flanken und Asymmetrien der Impulse aufgedeckt werden können.


Literatur:

[1] N. Yamada et al., IEEE Phot. Tech. Lett. 16, 1125-1127 (2004)

[2] C. Doerrer et al., IEEE Phot. Tech. Lett. 15, 1746-1748 (2003)

[3] H. Hundertmark et al., Optics Express 12, 3178-3183 (2004)

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