实时傅立叶域光学矢量示波器

云服务提供商和超大规模数据中心运营商正逐步从400 GE以太网转向800 GE，以满足日益渴求数据的世界的网络容量需求。目前，研究人员开发了各种新的光通信技术来增加单个波长信道的调制带宽和在单个光纤中复用的信道的数量。最近，达到了222 Gbaud（二进制格式，直接检测系统）的所有电子生成的符号速率和每个波长信道高达1.8 Tb/s的净速率。考虑到复用技术，在38芯三模光纤上实现了传输（10.66 Pb/s），其中涉及368个波分复用信道。随着通信线路速率的不断提高，数据采集变得越来越具有挑战性：首先，更高的符号速率需要更大的带宽设备，包括光电探测器和数字化仪；第二，先进的调制格式需要相干检测来检索其全场幅度和相位信息；第三，多路复用信道需要复杂的解复用系统以及指数数量的设备。此外，由于每个解复用的信道是单独获取的，因此，同步它们并表征信道间非线性损伤是具有挑战性的，这通过非线性Shannon极限来确定信道容量的上限。因此，非常需要能够同时表征多路复用的高速波分多路复用信道的宽带光学矢量示波器。

要观察这些高速、大容量的信号，最直接的方法就是使用实时示波器和高速光电探测器。目前最先进的带有高速相干接收器的示波器可以实现超过100 GHz的带宽且它还能够以超过200 Gbaud的符号速率观察单个通道。然而，进一步提高带宽是困难的。替代解决方案包括应用扫描本振或用锁相扫描本振合成多个采集通道。然而，前一种方法耗时长，不能同时表征多路信道，后一种方法过于昂贵和复杂，不适合日常使用。相反，如果信号是重复的，例如伪随机位序列模式，那么基于光泵浦探头的多镜头采样技术可实现太赫兹带宽，这样的系统通常被称为通信信号分析仪或眼图分析仪。由于光学采样过程中相位信息受到较大干扰，幅值信息不足以使多个信道在带宽内完全分离，因此，该采样方案仅对单个调制信道有效。此外，为了探索非重复、异步或瞬态事件的更大带宽，时间透镜可以通过放大或压缩时间轴来极大地放松带宽限制，该透镜赋予二次时间相移。然而，与时间透镜的实现相关的问题阻碍了它的广泛应用，例如带宽限制、相移限制、不完美的二次形状和相位抖动，而相位抖动对相位精度至关重要。例如，基于非线性参数混合的时间透镜在理想的二次相位中引入了额外的相位噪声且这种影响在光纤中的色散波动中加剧；因此，时间透镜的功能主要是通过操纵强度分布。因此，这些简单的时间方法以牺牲精度为代价获得了大带宽且不能同时表征多路复用的高速信道。

为了克服时间方法的限制，研究人员将目光转向信号的傅立叶域，根据傅立叶变换的性质，全场谱将是实现所需宽带时间示波器的捷径。为了获得全场光谱，特别是相位信息，研究人员采用了频率分辨光门控（表征飞秒激光的金标准）可用于捕获信号的自相关光谱仪。在重建算法的帮助下，频率分辨光门控可以在几十皮秒的窗口内检索到全场光谱，并实现数飞秒的时间分辨率；然而，机械扫描和迭代算法过于耗时（约千赫兹帧率），无法观测超高速通信数据。另外，通过色散傅里叶变换或时间透镜系统进行的光学傅里叶变换可以实现实时光谱且可以通过进一步的傅里叶反变换获得超快的时间波形。虽然这种方法可以产生具有220 fs分辨率的高度复杂波形，但无法捕获光谱相位信息。因此，必须将波形相位大致处理为平面，这不适用于正交调幅信号。利用光谱干涉测量技术，可以同时获取光谱幅值和相位信息。因此，重建了400 fs分辨率的全场波形，尽管在没有相位分集的情况下仍存在较少的相位模糊。这表明，实时光谱学需要同时获得相位信息。

 

图1 多路复用高速波分多路复用信道的同时观测示意图。以强度调制/直接检测（IM/DD）、相位调制/延迟干涉测量（PM/DI）、正交幅度调制/相干检测（QAM/CD）等成熟的光发射机和接收机系统以及时域和傅立叶域观测方法为例。NRZ，不归零。（A）光发射机支持超过100 Gbaud的符号率和多路复用信道。CW，连续波。（B）多路复用的信道首先被解复用且不同的调制格式对应于不同的时间接收器。随着信道数量和符号率的增加，对检测器和数字转换器的数量和带宽的需求变得很高。SIG，信号。（C）在傅立叶域光学矢量示波器中，通过色散傅立叶变换将复用的高速波分复用信号光学傅立叶变换为时间映射谱。为了获得全场光谱，传统的相干接收机采用啁啾本振实现相干光谱。在数字傅立叶逆变换之后，可以在时域中观察到每个通道的同步全场波形。

傅里叶域光矢量示波器的结构，如图2A所示。一般来说，只要满足远场夫琅和费衍射（τ_w²≪|Φ|）并产生有限的初始条件[τ_w<46 ps，因为Φ=2115 ps²是群延迟色散]，就可以通过色散傅立叶变换进行实时光谱分析。假设临时记录长度超过了这个初始条件。然后，时间映射频谱Ẽ_CR(ω)将扭曲作为一个额外的二次相位轮廓引入到其检索的时间波形E_{Re_int}(t)。因此，通常引入会聚时间透镜来扩大时间记录长度，并在其后焦平面进行光学傅里叶变换。然而，时间透镜不可避免地增加了复杂性，其时间孔径受到最大相移范围和不完美的二次相位分布的影响。另一方面，由于啁啾相干检测有助于获得全场谱，因此可以在数字信号处理处理过程中去除多余的二次相位。数字信号处理过程取代时间透镜功能，扩大时间记录长度，使光矢量示波器具有简单、鲁棒的配置。仅使用色散补偿光纤线轴进行光学傅里叶变换并获得时间映射谱。为了表征该时图谱的大带宽全场信息，将基于色散时间拉伸的啁啾扫描本振应用于四正交相干接收机，获得基带时间相位和正交分量。通过数字信号处理，可以得到相应的全场谱和时间波形。

 

图2 系统装置示意图及测量限的实验结果。色散傅立叶变换和啁啾相干检测构成相干光谱系统以及光矢量示波器。iFT，傅里叶反变换。(A) 被测信号E_s(t)通过色散光纤，得到时图谱E_DFT(t)，其中，色散（1.67 ns/nm）对应Φ=2115 ps²。频谱与啁啾扫描本振一起传递到相干接收器，数字信号处理帮助检索全场谱Ẽ_CR(ω)。通过傅里叶反变换得到初始全场时间波形E_{Re_int}(t)。通过去除其二次相位，得到全场时间波形E_Re(t)和对应的谱Ẽ_RE(ω)。(B) 频率带宽和时间分辨率的表征。当应用超短脉冲源时，显示了3.4 THz的带宽和280倍频分辨率，由啁啾本振的带宽决定。(C) 频率分辨率和时间记录长度的表征。采用1554.5 nm的连续波源，实现了12 pm的光谱分辨率和520 ps的时间记录长度。

为了评估光矢量示波器的性能，首先，研究人员需要量化其超短脉冲源的最大采集带宽。因此，设置系统，使本扫描本振的脉冲源部分分离，以提供用于测试的信号。该脉冲源的时间分辨率为280秒，频率带宽为3.4 THz（与啁啾本振相匹配）（图2B）。脉冲是变换极限的，因为时间-带宽乘积约为1。也就是说，该光矢量示波器实现了3.4 THz的采集带宽或27.2 nm的波长范围。作为一项概念验证研究，研究人员还描述了另一种高重复率脉冲源。它是一个微谐振克尔频率梳，重复频率为48.97 GHz，可以在稳定的单孤子和多孤子模式下工作。此外，光矢量示波器的20.5 MHz帧率可以观察到快速孤子动力学，这对于研究孤子生成和建模腔内非线性是必不可少的。

 

图3 通过光学矢量示波器观察太赫兹条纹和精确色散。为了量化示波器的强度带宽和相位精度，应用了干涉拍频条纹和分段色散测量。（A）两个共偏振连续波源间隔10 GHz、100 GHz和1 THz以相互干扰。（B）光学矢量示波器在整个时间记录长度上获得的全场波形。（C）全场波形的中心阴影区域的放大特征。（D）色散实验的结果，其中变换限制宽带（3.4 THz）脉冲源穿过0-100 m长的单模光纤，这在频域中引入了二次相移。（E）通过光学矢量示波器获得的逐步全场波形。（F）采用波长选择开关对0-200 cm跨度的单模光纤进行精确模拟。

当群速度随波长变化时发生的色散限制了长途光纤链路的传输容量，但在波分复用系统中，为了最大限度地减少光纤非线性的影响，色散是必要的。色散通常基于群延迟色散和相应的相位分布来测量，这对于光学矢量示波器来说是直接的。如图3D-F所示，为了量化系统的色散精度，这里应用了从5厘米到100米的单模光纤；传统的单模光纤（G652D，YOFC）用于较长的跨度（10-100 m），而波长选择开关（4000A，Finisar）用于较短的跨度（5 cm-1 m），这是由于难以调整和同步。光谱相位轮廓（图3D和F底部）反映了群延迟色散，基于光学矢量示波器出色的相位精度和位移范围，短至10 cm的单模光纤可以在这里得到充分的表征。如图3F所示，相位抖动的均方根误差为0.049弧度，对应的群延迟色散为0.00085 ps²，这就是群延迟色散的测量精度。此外，受干扰的相位信息由于环境温度和机械抖动造成。图3E中的时间波形揭示了色散拉伸扫频源的啁啾特征。这种水平的色散测量精度对于单次测量、频谱分析和惯性自由扫频源至关重要。

接下来，研究人员通过表征大容量光通信信号来测试系统的能力。因此，首先引入了基于铌酸锂的薄膜Mach-Zehnder调制器，以在单个载波中提供高符号率。该调制器可以被配置为生成开关键控（128 Gb/s）和二进制相移键控，这远远超出了所使用的25 GHz相干接收机的带宽。光学矢量示波器首先捕捉傅立叶域中的时间映射光谱，并将其与高分辨率光谱分析仪（AP2087A，APEX）获得的光谱进行比较，如图4A和E所示。傅立叶变换到时域后，强度和相位分布都描述了开关键控和二进制相移键控信号的比特模式，如图4B和F所示。注意，时间波形上存在明显的强度噪声，它主要来自基于时间拉伸的啁啾本地振荡器的强度噪声以及数字化器的量化噪声。该光学矢量示波器以20.5 MHz的帧速率连续捕获120帧，分段强度分布可以同步以重建开关键控信号的眼图（图4C）。为了进行比较，传统通信信号分析仪（N1030A，Keysight）捕获的眼图，如图4D所示。类似地，从相位轮廓和光学调制分析仪（N4391B，Keysight）获得的二进制相移键控的星座图，如图4G和H所示。光学矢量示波器实现了与光学调制分析仪类似的误差矢量幅度（19.67%）（20.02%）。这种相似的性能表明，该光矢量示波器能够监测符号速率在太波特数量级的大带宽信号的光学性能。

 

图4 在单个通道中观察128 Gbaud信号。强度调制和相位调制两种格式均应用于光矢量示波器和常规方法进行观测。(A) 由光学矢量示波器（红色）和0.04 pm分辨率光谱仪（蓝色）获得的开关键控信号（128 Gb/s）的频谱。(B) 单次开关键控信号在整个时间记录长度上的全场波形。(C) 120帧同步连续的强度分布图重建的开关键控信号眼图。(D)从通信信号分析仪进行比较。(E) 128 Gb/s二进制相移键控信号的频谱，由光学矢量示波器（红色）和0.04 pm分辨率光谱仪（蓝色）获得。(F) 单次二进制相移键控信号在整个时间记录长度上的全场波形。(G) 120帧同步连续相位曲线重构二进制相移键控信号星座图。(H) 用于比较的光调制分析仪。

由于涉及到光谱分析仪和先进的调制格式，多路复用信道的同时观测比单个信道的观测更具挑战性。因此，演示具有大带宽的多个同步信道的测量是对系统性能的重要测试。为此，首先介绍了一种具有正交相移键控信道（4×160 Gb/s）的波分复用系统。将间隔5 nm的四个连续波载波发射到相干调制发射机（IQTX-40-FDP-ABC-C，coherent Solutions）中；也就是说，这四个正交相移键控信道的比特模式是完全同步的。接收器的单次相干频谱（图5A）与传统光谱仪的一致。每个通道都可以进行数字滤波和傅立叶变换，从时间强度和相位分布中可以清楚地观察到它们的同步强度波动和相位位模式（图5B）。多帧相位轮廓用于重建每个信道的星座图（图5C），光学矢量示波器的误差矢量幅度（28.91%、25.88%、30.09%和30.63%）与光学调制分析仪的误差矢量幅值（28.95%、25.90%、30.16%和30.65%；图5D）相似。相干接收机的典型工作功率为−4 dBm，以优化信噪比。考虑到系统的7 dB功率损耗，要求最小信号功率为3 dBm。使用该光学矢量示波器，可以同时观察到具有先进调制格式的多路复用高速波分复用信道，表明实时监测任何波长或相位漂移的光学性能是可行的。

 

图5 多路复用高速波分多路复用信道的同时观测。为了简化实现并便于参考，四个多路复用信道共享一个正交幅度调制器。（A）相干光谱系统（红色）和0.04 pm分辨率光谱仪（蓝色）获得的正交相移键控信号（4×160 Gb/s）的频谱。（B）在整个时间记录长度上的单触发正交相移键控信号的全场波形。四个通道通过数字滤波解复用，其中，CH1在1545 nm（蓝色），CH2在1550 nm（红色），CH3在1555 nm（棕色），CH4在1560 nm（粉红色）。（C）从相位轮廓的120个同步连续帧重构的四信道正交相移键控信号的星座图。（D）来自光学调制的星座图。

符号速率的增加和多路复用给光学性能监测带来了挑战；为了实现经济监测，引入了光学采样来放宽带宽要求和扫描本振来观测多通道信号。然而，这些方法不能实现实时观测且分时多通道信号不同步，这阻碍了通道间干扰的表征。在这里，为了克服传统接收机的调制和多信道带宽限制，通过全光傅立叶变换将信号转换到不受限制的时间轴上。通过啁啾本地振荡器与大带宽相干检测相结合，可以获得全场频谱且这种完整的傅立叶变换能够实现精确的时间全场波形。最后，使用基于这些原理的光学矢量示波器，演示了多路复用高速波分复用信道的同时全场特性。

这种傅立叶域光学矢量示波器得益于全场波形和补偿的高阶色散，表现出更小的偏差和像差。这些改进主要源于示波器中简化的物理配置和强大的数字信号处理，这些都是通过啁啾相干检测实现的。由于简化配置的关键组件仅包括锁模光纤激光器、色散光纤以及传统的相干接收器和数字转换器，因此，该示波器为光学性能监测提供了经济的解决方案，尤其是当这些关键组件可以完全集成在芯片上时。然而，测量能力存在一些基本限制。首先，520 ps的时间记录长度仅占50 ns帧周期的1%且这对于信号的光学性能监测是足够的，例如，在128 Gbaud符号速率下的单次发射中可以覆盖超过50比特的模式，尽管接收器和数字化器的更大带宽（例如，50 GHz）将时间记录长度扩大到纳秒范围，不可避免地增加了系统成本。光学缓冲器是一种可能的替代解决方案；该技术可以实现100多个副本的数据存储，对应于超过50 ns的单次快照时间记录长度。其次，相干接收机和色散分量的工作波长范围决定了3.4 THz的时间带宽，尽管最近的一些进展可以克服带宽限制或允许在不同的波长带中工作。最后，在概念验证演示中应用了单偏振模式，因为啁啾本地振荡器不能保证是线性偏振的。由于相干接收机的偏振分集，只要将其线性偏振并调整到45°，就可以通过两个正交信道收集和分析具有任意偏振状态的信号。因此，该示波器在偏振分复用系统中也很有前景。

总之，傅立叶域光学矢量示波器是一种概念创新，它结合了光学傅立叶变换和啁啾相干检测。该示波器能够高精度观测色散和通道间非线性，这对传统的光学性能监测技术来说是一个挑战。此外，这种超快实时示波器可以促进一些瞬态现象的表征，如微谐振器耗散克尔孤子动力学和光载波上的太赫兹波，甚至可以作为实时光学矢量网络分析仪。可以认为，啁啾相干检测的技术创新是在大波长范围内操纵任意信号的独特方法，这种光学矢量示波器在先进的光学通信系统和超快光学测量中代表了一种很有前途的科学和工业工具。