1.1研究目的及意义

随着大数据时代的到来，多媒体信息的传播，使得人们对通信质量的要求越来越高,通信系统的传输容量和速度都必须得到质的提升才能满足需求。大容量、超高速的光纤通信技术则是下一代互联网快速发展的核心。在光纤通信系统中，密集波分复用(DWMA)技术已经发展到极限，单纯增加波长数目实现扩容不再可能，因此增加单波长的通信速率成为通信系统扩容的最佳方式。现在商用高速采样示波器测量最大带宽约为63GHz，也有力科公司利用分频技术和并行采样实现了100GHz的示波器，但是这种造价十分昂贵，增加了光通信设备厂商和研究机构的成本。目前100Gbps已经投入商用，2018年以太网联盟支持新近批准的IEEE802.3bs中的200G和400G尽快实现商用。但随着速度提升,通信系统的信号质量问题也逐渐显现。面对速率高达400Gbps甚至是1Tbps的光纤通信系统，对光信号进行质量监测就成为一个难题。传统光信号测量是使用电采样的方法，直接通过高速光电探测器光电转换，然后通过高速数据采集卡转换成数字信号，再进行时域和频域的分析。但是这种测量方法受采样时钟精度、采样保持电路弛豫时间、载波迁移率等瓶颈制约，并且主要曲线与强度参数分析，使得传统电采样技术不适合对更高速率的光信号进行分析处理。面对这一难题，研究人员提出全光采样光信号分析检测方法。全光采样技术将采用过程从电域搬移到光域，这样就可以突破电子速率瓶颈，扩展传统采样带宽，是对光信号进行监测的有效手段。

近年来，全光通信技术发展迅速，为高速光信号的测量指明了前进的方向。光采样技术不仅可以突破传统电域采样的速度限制,而且可以监测高速光信号的相位、幅度、偏振等相关信息，提高了采样的精度，更能够有效监测通信系统中的信号传输质量,可以在未来通信领域和高速通信系统中，提供更好质量的通信，具有更加广阔的应用前景，为我国的光通信产业发展提供更强的技术支持。不仅如此，光采样技术对宽带网络建设等领域的研究发展也有很大意义。

1.2国内外研究现状

研究人员对全光采样的研究起初是从非线性光采样开始的。1991年，英国帝国理工大学D.U.Noske和J.R.Taylor提出一种基于非线性环境的光采样示波器的研究，完成了对100MHz重复频率的光信号采样。1997年H.Ohta和S.Nogiwa

等学者使用非线性光学晶体KTP恢复出10Gb/s强度的调制信号的眼图。光信号经LiNbO3光强度调制器调制，PBRS阶数为15。对采样脉冲的时间抖动进行优化，将其时间抖动从7.1s降低到0.7s，提升了采样效果。但是非线性光采样仍然存在一些无法优化的缺陷，为此在1999年德国S.Dic和R.Luwing等相关学者指出，高非线性器件很笨重，所以不具有系统集成的可能。正因为非线性采样技术具有这样的缺点，研究人员开始转向新的方向。2003年美国贝尔实验室C.Dorrer博士提出线性全光采样原理，将相干探测技术运用在全光采样中，不但可以检测强度调制信号和相位调制信号，而且无需高功率光源及高非线性器件，降低了岁对硬件的要求。2005年，C.Dorrer提出一个线性光采样系统，在采样脉冲为10MHz，平衡探测器模拟带宽为800MHz的情况下，恢复得到640Gbps的强度调制信号以及40Gbps的相位调制信号。2005年，瑞典查尔莫斯理工大学Westlund等人员针对线性光采样技术提出软件时钟同步，可在采样脉冲重复频率表远低于奈奎斯特采样频率的欠采样条件下实现信号眼图的重建。2012年，该研究组实现了100Gbps的偏振复用-四相移键控（PDM-QPSK）光信号监测。

国内光采样领域的研究相较国外来说略有落后，现如今也取得了一些成就。2009年，天津大学研究人员，基于线性光采样原理仿真研究 10Gbps非归零-相移键控（NRZ-BPSK）信号的测量。2010年，清华大学冯勇等研究了利用半导体主动锁模激光器产生重复频率2GHz、脉冲宽度1ps的采样光脉冲，实现对20Gbps偏振复用差分相移键控信号（PDM-DPSK）的线性光采样。2013年，北京理工大学研究人员提出异步降频光采样技术，通过CZT对采样信号进行眼图重构和Q值监测，提高了算法精度和计算时间。

2. 研究的基本内容与方案

本课题基于全光采样技术，要求了解全光采样原理以及研究内容和其中涉及到的关键技术，而且实现高速光信号的眼图测量。开发环境是基于MATLAB等仿真软件实现高速信号眼图的构建的平台。

全光采样经历了从非线性光采样到线性光采样的发展过程。所谓非线性光采样是指利用超短光取样脉冲和待测光信号在光学取样器中发生超快非线性光学效应，通过非线性介质可以将待测光信号的光强线性地映射到闲频光，接着通过光学滤波器将闲频光滤除，再通过低速模数转换器完成量化，最终将低速光信号转化成数字信号。而线性光采样则是，脉冲光和待测信号光在90°混频器中完成线性混频过程，再通过平衡探测器，使本振脉冲光和待测信号光的强度相抵消，剩下混频项，这样就完成了光域的采样过程。获得混频信号之后，再由低速平衡

探测器完成光信号到电信号的转换，模数转换器完成数字化采集，利用数字信号部分完成正交不平衡补偿，信道均衡和偏振解复用；利用软件同步算法提取时钟分量，然后消除频偏以及相位噪声的误差影响，最后恢复出待测光信号的眼图。

本课题主要研究线性光采样的过程，对实现光采样的关键技术：采样脉冲源、时钟同步、光电探测和数据采集等进行分析，以及研究脉冲时间抖动等关键问题对结果的影响。

光采样的实现方法主要有：同步采样，异步采样和软件同步采样。其中应用较为广泛的是同步采样。