摘 要

随着网络新兴业务的出现以及人们对于数据传输速率和容量要求越来越高，高速光纤通信系统快速发展。但由于传统电采样技术存在的电子瓶颈，使用其对高速信号进行监测就变得十分困难甚至是不可能的。而全光采样技术是针对高速通信系统传输中的高速信号监测问题提出的，有别于电采样的先光电转换再采样，全光采样技术先采样再进行光电转换，采样后的信号时域展宽，这样就避免可以使用高带宽电子器件。

本文首先对传统电采样技术和实现方案进行分析，再对光采样技术原理及其实现方案分析研究。针对光采样关键技术中的光采样门进行分析，通过仿真总结非线性光纤中对四波混频效应影响的主要因素和具体作用规律。最后针对使用optisystem软件对光采样系统进行仿真。完成了重复频率为100MHz以及10GHz不同的采样脉冲对速率10Gbit/s的信号的线性采样，得到采样后的信号星座图，将其与样本的星座图对比。

实验表明了光采样系统能够完成低速信号完成对高速脉冲的测量，且采样频率越高，得到的星座图结果越准确。同时也对非线性光采样系统进行简单仿真验证。

关键字：光采样；关键技术；FWM；optisystem

Abstract

With the advent of emerging networks and the increasing demand for data transmission rates and capacity, high-speed fiber-optic communication systems are rapidly evolving. However, due to the electronic bottleneck of the traditional electric sampling technology, it is very difficult or even impossible to use it to monitor high-speed signals. The all-optical sampling technique is proposed for high-speed signal monitoring in the transmission of high-speed communication systems. It is different from the first photoelectric conversion and re-sampling of electrical sampling. The all-optical sampling technique first samples and then performs photoelectric conversion. The time-domain broadening of the sampled signal is performed. This avoids the use of high bandwidth electronics.

This paper first analyzes the traditional electric sampling technology and implementation scheme, and then analyzes the optical sampling technology principle and its implementation scheme. The optical sampling gates in the key technology of optical sampling are analyzed, and the main factors and specific laws of the effects of four-wave mixing effects in nonlinear optical fibers are summarized through simulation. Finally, the optical sampling system was simulated using the optisystem software. The linear sampling of the sampling signal with a repetition rate of 100 MHz and 10 GHz and the rate of 10 Gbit/s is completed, and the sampled signal constellation is obtained, which is compared with the constellation of the sample. It shows that the optical sampling system can complete the measurement of high-speed pulses with low-speed signals, and the higher the sampling frequency, the more accurate the constellation results are. Simultaneous simulation verification of the nonlinear optical sampling system is also carried out.

Key Words：Optical sampling;key technology;FWM;optisystem

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究目的和意义 1

1.2国内外现状 2

1.3论文主要内容 3

第2章 光采样的理论分析 4

2.1 传统电采样分析 4

2.1.1 电采样结构 4

2.1.2 电采样实现方法 5

2.2光采样原理 7

2.3 频差法 8

2.4非线性光采样 10

2.5线性光采样 10

2.6光采样实现方法分析 13

2.6.1同步采样 13

2.6.2异步采样 14

2.6.3软件同步采样 15

2.7本章小结 18

第3章 光采样系统中采样门分析 19

3.1采样门特点 19

3.2四波混频效应 19

3.3影响因素理论分析 20

3.3.1相位匹配条件 20

3.3.2光纤色散 21

3.4基于光纤FWM的采样门 22

3.5结果分析 22

3.6本章小结 24

第4章 光采样系统仿真分析 25

4.1非线性光采样系统 25

4.2 线性光采样系统 26

4.2.1 系统仿真 26

4.2.2实验结果分析 28

4.3本章小结 29

第5章 总结与展望 30

5.1总结 30

5.2未来展望 30

参考文献 31

致谢 33

绪论

1.1 研究目的和意义

随着大数据时代的到来以及综合数字业务的迅速发展，要求数据传输速率相应提高，光纤通信系统中的信号速度和质量都必须得到提升才能满足人们增长的需求。因此光信号的相位、幅度及偏振等也都携带传输信息。而要实现扩大容量的目的，主要有两种方法：一是增加单模光纤中的波长数目；二就是增加单通道波长的传输信号的速率^[1]。

光纤通信系统中，已经采用波分复用技术扩展通信容量。目前只有通过增加单通道的信息传输速率才能在原有系统容量几近停止的情况下，继续扩充系统容量。目前100Gbps已经投入商用，2018年，以太网联盟支持的新近批准IEEE802.3bs中的200G和400G速率信号尽快实现商用。然而面对速率高达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。传统光信号质量测量是基于电采样的方式，高速光信号直接通过高速光电探测器转换成电信号，然后通过高速数据采集卡转换成数字信号之后再进行分析^[2]。但是这种传统质量监测方法受电子器件中的采样时钟精度、载波迁移率等瓶颈制约，而且主要是进行光信号的强度分析，无法分析信号的相位等其他信息，因此传统电采样技术并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。全光采样技术在光域中发生采样，使采样后的信号展宽，避免在待测信号仍是高速的情况下使用电子器件。

光采样技术可以突破传统电采样的限制,进而可以监测高速光信号的相位、幅度以及偏振等信号信息，在高比特率信号的波形和眼图测量、相位调制信号的星座图测量、偏振态时域分辨测量和光纤传输损伤研究等方面得到广泛应用^[3]。而且提高了采样的精度，能够更精确地监测通信系统中传输的信号质量,可以在未来通信领域和高速通信系统中，提供更加优质的通信，具有广阔的应用前景，更能支持我国未来的光通信产业发展。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 国内外现状

对于光采样的研究主要是因为光纤通信系统中传输信号速率逐年上升。而传统采样技术无法完成高速信号的质量监测，所以学者们开始研究光采样技术。光采样技术首先从非线性采样开始过渡到线性光采样技术。在非线性采样是从对二进制开关键控较为简单的调制信号开始。1991年，英国帝国理工大学D.U.Noske和J.R.Taylor提出一种光采样示波器的研究，此种示波器基于非线性效应原理，完成了对100MHz重复频率的光信号采样。1994年，日本NTT实验室利用频差法，完成了对速率高达100Gbps的信号波形的测量。之后在1997年，H.Ohta等多位学者使用非线性光学晶体KTP恢复得到高速信号的眼图^[3]。且日本东京大学研究中心基于光纤的四波混频原理，实现了640GHz超高速的光采样技术。但是非线性光采样仍然存在一些无法优化的缺陷，而且在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，研究人员开始转而研究新的方向。2003年，美国贝尔实验室中C.Dorrer博士提出线性光采样技术，创造性地将相干探测应用在全光采样中，说明了线性光采样的灵敏度比非线性要高三个数量级。之后学者们也在不断实现高阶调制信号以及更高速率的信号的质量监测。

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。2003年，清华大学的研究人员利用频差法，完成了对10Gbps信号的波形测量，且在2006年采用异步采样方法完成了对高速信号的眼图恢复。2009年，天津大学研究人员，采用线性光采样技术实现了对速率为10Gbps的相位调制信号的监测。2007年华中科技大学完成了基于半导体光放大器中非线性效应构成的采样门，并成功进行了模拟实验。2010年，清华大学等人完成了对差分相移键控调制信号的监测。之后在2013年，北京理工研究人员，提出使用异步降频光采样技术，能够对重构的眼图和Q因子进行分析。

1.3 论文主要内容

本文针对光采样原理进行分析之后，主要对光采样原理和相关的关键技术采样门进行研究。使用optisystem完成光纤采样门以及对10Gbps光信号进行采样研究。

第一章绪论简单介绍了研究光采样的目的及意义和研究现状，描述了论文的主要工作。

第二章针对传统电采样方法的过程和等效采样实现方法进行分析。再分析光采样原理，详细分析了频差法；然后描述了非线性和线性采样的原理和实现方案。

第三章对光采样的关键技术中的采样门进行仿真研究，分析影响光纤四波混频效应的因素及规律。

第四章对两种光采样系统使用optisystem进行分别仿真。对线性采样中仿真结果中星座图进行分析。

第五章对整个文章进行内容总结与后续工作展望。

光采样的理论分析

2.1 传统电采样分析

2.1.1 电采样结构

要进行分析研究物理世界中的信号就要先将模拟信号转换成为数字信号，主要经历采样、量化、编码三个过程。其中采样的结果直接关系到后续处理过程，较为重要现如今随着综合业务网络的发展，信号所携带的信息越来越多，对信息速率要求也越来越高，因此对高速信号信息测量监测就显得尤为重要。

传统测量高速光信号的方法是电域采样，即将高速光信号通过超高带宽的光电探测器转换成高速电信号。之后再经过高速模数转换器将电模拟信号转换成数字信号，将采样得到的数字信号进行处理，就可以得到高速光信号的特征参数等信息^[4]。具体流程如图2.1所示。使用电域采样的方法所能监测光信号的最高速率由光电检测器和电子示波器的带宽共同决定。

图2.1 电采样流程图

在理论上对采样定理进行分析。需要采样频率至少是待测信号的两倍，才能无失真恢复待测信号。否则采样的样本频谱就会发生混叠。而在实际中要能准确地测出待测光信号的参数信息，需要采样频率超过待测信号频率的四到十倍。因此，使用电采样技术进行高速光信号的采样，对于产生采样脉冲的激光器要求过高。而且高精度模数转换器因受限电子瓶颈，无法在光信号本身频率很高的情况下，达到原有的4~10倍。所以目前最大测量带宽受限于90GHz左右^[5]。

目前对于超高速光信号的质量监测已经不再使用传统电采样方式，转而将具体采样过程搬移到光域。

2.1.2 电采样实现方法

传统电采样中对于信号波形的采集主要有实时采样和等效采样两种方法^[6]。使用实时采样时，采样率必须满足采样定理，可以在一次波形采样中采集足够的采样点，然后以此构建出准确的图像。但是对于高速信号，示波器就不可能在一次扫描中收集充足的采样点，也就不能构建精确图形。因此，对于高速信号的测量采集就需要使用等效采样方法。

实时采样，即对信号波形进行逐点采样以实时扫描整个信号波形，适用信号范围较广，对信号的周期性等特点没有要求。但是却要求系统提供很高的采样率才能完成采样，而且当传输的光信号速率上升时，可能会导致输出的采样信号波形发生不可控的变化。

而等效采样是通过多轮次的触发进行采样，将在不同周期下采样得到的结果按照规律进行排列，就能恢复测试信号的波形。一般采样脉冲在待采样信号的各周期或者是相隔几个周期采集到一个样值,而采样点在周期波形的不同位置处获取,之后根据时钟信息将采样点排列为一个周期, 就能够形成相似于原始信号一个周期的信号波形。所以采样后所测得的信号波形时域上产生了周期上的延拓，周期增加，速率也就下降。之后再经过现有的低速示波器就可以观测到相对较为高速的信号的特征信息。

等效采样主要有随机等效采样和顺序等效采样两种方法。

图2.2 顺序采样示意图

顺序等效采样有时域和频域两种实现方式。如图2.2所示，为顺序等效采样实现图。在每个触发采样点采样得到一个样值，不因扫描速度不同而改变。每个触发经过一个短而确定的延迟之后再获得样值，因此顺序等效采样能够提供高触发时间分辨率。当下一次触发到来时，采样点的时间就增加一个小的增量Δt。此过程重复多次，之后每次采样触发时间就叠加Δt直至整个时间窗口填充完成。

图2.3 随机等效采样

与连续采样不同的是，将相对待测信号异步的内部时钟运用在随机等效采样。触发采样信号与采样时钟相独立，所以采样点位置是随机的。因此要能够准确地排列采样点的数据来重建信号波形，就要精确地记录采样点与触发点在时间上的差别，判断采样的时间顺序。具体方法如图2.3。第一轮触发点到达时，经过时间t1后进行第一轮采样，将采样的数据储存；第二轮触发点经过时间t2后采样，等等。经过一定时间之后，按照之前设置时间间隔的大小，依据从小到大的顺序来排列刚才获得多组采样数据。

但是随机采样等效方法可能出现准确测量和触发点的相对位置偏差的问题，而且待采样信号的频率不能设置是采样频率的整数倍，否则每次采集都采样到待测波形的同一位置。

2.2 光采样原理

在传统电采样的系统中，是通过在光电信号转换的节点处对转换后的电信号监测来对传输信道中的信号进行监测的。但是在光纤系统中的信号传输速率升高，而且长距离无中继传输的距离也在增长，因此将光纤中的O/E节点数目变少以降低远距离通信成本。在光电转换节点数目减少，信号速率增高的情况下，为了进一步准确地监测信号，采用全光采样方式进行采样。

光采样是在传统电采样由于电子瓶颈无法准确地测出高速光信号具体信息的情况下提出的。光采样技术在光域中以低速脉冲信号采样高速光信号，采样后的信号会被展宽，可以使用较低带宽的电子器件，来克服传统电采样的数字示波器和模数转换器等电子器件存在的电子瓶颈。不仅可以在时域中测量高速光信号的强度，还能够测量得到光信号的相位等信息。

全光采样系统要能准确地完成高速光信号的测量，要满足两个条件：首先是系统高分辨率，脉冲宽度取在皮秒和飞秒之间的数量级，这样才能实现超过500GHz带宽高速待测光信号的测量。其次是低速率采样脉冲，从而可以降低光电探测器和其他电子器件的带宽。在光采样系统中，采样脉冲在待测信号的不同位置采样，而且采样时间极短、脉冲带宽窄、高分辨率，使得采样得到的样值和待测信号采样点位置的强度成正比。至此采样之后的信号携带了待测信号的相关信息，再通过低速电子器件进行光电转换和数字信号处理，就可以获得光信号的信息。

首先研究非线性光采样技术。非线性光采样是指利用采样脉冲和待测光信号在采样门中发生非线性效应，通过非线性介质可以将待测光信号光的强度等信息线性地映射到空闲光。接着通过滤波器将其他光滤除，再通过低速模数转换器完成低速光信号转化成数字信号的过程。但是非线性介质固有的性质导致其在混频过程中效率较低，最终结果的灵敏度也不如人意。其次是线性光采样。线性光采样是由美国贝尔实验室中C.Dorrer博士等人^[7]，在无法测量光信号的相位条件下提出的，将相干监测技术应用于全光采样之中，可以测出光信号的强度和相位等信息。具体过程是采样脉冲和待测高速光信号在90°混频器中完成线性混频过程，输出混频信号，这样就完成了光域的采样过程。之后再由低速平衡探测器完成光电转换，由模数转换器完成数字化采集，得到采样的数据值。使用其他的算法消除频偏和相位偏移之后，再利用软件同步算法进行采样点的数据按照时钟排列，最后恢复出待测光信号的眼图。

2.3 频差法

光采样能够以低于待测信号的最高频率的两倍完成采样，是因为采样脉冲具有周期性的特点。尤其是在光通信中，光信号的速率大都是100Gbit/s以上，普通电采样难度较大，因此本文采用信号与脉冲频率保持频差的方法，来完成高速信号的采样。

频差法是通过使采样脉冲和待测光信号在频率上保持一定的误差，避免了每次采样都发生在周期信号波形的同一位置，完成对待测信号整个周期的测量。得到的采样信号经探测器接收，再变成数字信号，再经后续数字信号处理部分得到待测信号眼图。

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