[发明专利]全光学的、相位灵敏的光信号采样法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年2月23日提交的美国临时申请号61/208,427的权益，该申请通过引用结合在此。

技术领域

本发明涉及光信号的电场的高速测量。具体而言，本发明涉及一种相干光学采样安排，这种安排特别适合于对通常包含光学编码数据的光学输入信号的完整电场(相位和幅值两者)进行测量。

发明背景

在以新的、更复杂的数据调制格式为关键技术的光通信领域中，近期的发展已经产生了对光波波形表征工具的需要，这些工具能够从波形中提取出更多的信息，而不是简单地是它的作为时间函数的功率。通过调制光场相位和幅值两者来将数据编码到一种光载波中已经变得越来越有吸引力，并且看起来它是一种将会有助于提高未来的光纤通信链路能力的技术手段。

然而，对光信号的完整电场进行测量(这对于将信号的相位和幅值两者的信息可视化而言是必需的)的需要所要求的是相干检测技术，这种技术在测量点处利用一个参考相位。在大多数情况下，相干检测采用了由一个分离的、独立的激光源产生的一个连续波(CW)本地振荡器(LO)参考信号。将光学输入信号(承载有光学编码的数据)与这样一个参考信号相“混合”的能力开拓了以下可能性，即：测量出光学输入信号相对于参考LO信号的数据相关的、时变的相位变化。

相干检测并不是一项新颖的技术；事实上，在20世纪80年代人们已经对它进行了广泛的研究并且提出将其作为一种高灵敏度光信号检测方案。然而，进行实施是困难的，并且随着铒掺杂光纤放大器(EDFA)的出现，相干检测系统的商业应用被搁置。尽管如此，在对更有光谱效率的调制格式的需要、以及在用于传输减损的接收后补偿的高速电子处理的可用性的驱动之下，该领域中的研究仍在继续并且最近引起了新的兴趣。

向新颖的、先进的、用于光通信的调制格式的转变已经发展成将幅值和相位两者的调制进行结合，从而创造出对于能够测量光学输入信号的时变电场的新测量技术的一种需要。具体而言，高速光学输入信号的相干检测将要求测量系统具有相对大的带宽用于进行精确的信号重构。数字采样是一种能够为此目的提供足够带宽的技术。

确实，数字采样是一种公知技术，用于(例如)借助一个采样门通过捕捉波形的多个准瞬时快照来使时变波形可视化。这个门是由一个脉冲序列中的多个窄脉冲(选通脉冲)来“打开”并“关闭”的，这些窄脉冲展现出一种明确定义的重复行为，使得最终该波形的所有部分都被采样。采样的实现方式可以是“实时的”亦或“等效时间的”，其中实时采样是指采样率高于波形的最高频率分量的两倍(奈奎斯特采样)的情况，而等效时间采样是指将一个任意的低采样率与一个“重复”波形一起使用以便提供精确的信号重构。需要“重复”波形是等效时间采样方式的一个基本性限制。

现有技术中有若干种基于数字采样的相干检测系统，它们通过将一个数据承载光学输入信号与一个参考信号相混合并且随后进行信号处理(用于信号重构和可视化)来协助该光学输入信号的电场的表征。以下简述了选出的多个现有技术解决方案，包括对特定限制的识别，本发明的传授内容将着手解决这些限制。

图1示出了一个示例性的、现有技术的光学检测安排1，用于测量一个数据承载光学输入信号S(实际上是包括以光载波频率振荡的时变光载波的一个信号S(t)；为了简便起见以下称作“S”)的电场，其方式为将该光学输入信号的电场与一个已知的CW本地振荡器参考信号LO在光学混合元件2中进行相干混合。光学混合器2用于在复数域空间中将这两个信号S和LO混合，以产生一组四个混合域光信号：S+LO、S-LO、S+jLO以及S-jLO，如在图1中所示。

然后，将一个平方律检测函数施加到这些信号上，以便将它们转换成光检测器电流(电信号)从而进行采样和研究。优选地，使用一种“平衡式检测器”安排，该安排允许将中频(IF)项抵消。如在图1中所示，第一对混合域光信号S+LO和S-LO作为分离的输入被施加到第一平衡式检测器3-A上，并且类似地，第二对混合域光信号S+jLO和S-jLO作为分离的输入被施加到第二平衡式检测器3-B上。来自平衡式检测器3-A和3-B的输出检测器电流对可以对应地表示为：

I₁(t)＝4|S(t)||LO|cos(ω_IFt+φ_s(t)+φ_LO，1)，并且

I₂(t)＝4|S(t)||LO|cos(ω_IFt+φ_s(t)+φ_LO，2)，