[发明专利]通过使用四波混频进行时间展宽的高速光采样

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求由Lipson等在2009年2月5日提交的、题为“High-Speed Optical Sampling by Temporal Stretching Using Four-Wave Mixing”的共同待审的美国临时专利申请第61/150,270号的优先权和权益，该专利申请在这里通过整体引用而并入。

关于联邦资助的研究或开发的声明

所公开的发明是在来自DAPRA的DSO OAWG项目下和在由国家科学基金给予纳米级系统中心的拨款下的政府资助下完成的。美国政府拥有本发明的权利。

1.技术领域

本发明涉及用于基于输入信号波形的时间展宽的超快速光波形采样的方法和设备。

2.背景技术

光电二极管当前结合实时示波器被使用；然而，采样率被限制在60GS/s，其能够处理高达30GHz带宽的信号。当前的光采样系统使用短的光脉冲用于高分辨率采样。然而，这些系统不能单次(single-shot)操作，因此不能采样短的光分组或者不能在非重复波形下工作。

也可以利用自相关和互相关，然而，光信号必须是从结果推断出的，而且在长于几皮秒的记录长度上不能进行单次测量。

其它已知的方法包括频率分辨光栅(FROG)和用于直流电场重建的光谱位相干涉仪(SPIDER)。然而，使用这些技术的用于单次表征的记录长度仅限于几皮秒。

表征超快速光信号在下面列举的许多科技领域中具有广泛的应用，如超快速现象(M.van Kampen，C.Jozsa，J.T.Kohlhepp，P.LeClair，L.Lagae，W.J.M.deJonge，and B.Koopmans，“All-optical probe of coherent spin waves，”Phys.Rev.Lett.88，227201-1-4(2002)；R.W.Schoenlein，W.Z.Lin，and J.G.Fujimoto，“Femtosecond studies of nonequilibrium electronic processes in metals，”Phys.Rev.Lett.58，1680-1683(1987))、

太(拉)赫光谱学(M.Tonouchi，“Cutting-edge terahertz technology，”Nature Photonics 1，97-105(2007))和超高带宽通信(C.Dorrer，“High-speed measurements for optical telecommunication systems，”IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.12，843-858(2006)；N.Yamada，H.Ohta，and S.Nogiwa，“Polarization-insensitive optical sampling system using two KTP crystals，”IEEE Photon.Technol.Lett.16，215-217(2004)；M.Westlund，P.A.Andrekson，H.Sunnerud，J.Hansryd，and J.Li，“High-performance optical-fiber-nonlinearity-based optical waveform monitoring，”J.Lightwave Technol.20，2012-2022(2005)；J.Li，M.Westlund，H.Sunnerud，B.-E.Olsson，M.Karlsson，and P.A.Andrekson，“0.5-Tb/s eye-diagram measurement by optical sampling using XPM-induced wavelength shifting in highly nonlinear fiber，”IEEE Photon.Technol.Lett.16，566-568(2004)；C.Dorrer，C.R.Doerr，I.Kang，R.Ryf，J.Leuthold，and P.J.Winzer，“Measurement of eye diagrams and constellation diagrams of optical sources using linearoptics and waveguide technology，”J.Lightwave Technol.23，178-186(2005))。用于光信号采样的传统光电子方法使用高速检测器和采样保持电路，它们不能被应用于具有过大带宽的信号。所提出的用来克服这个带宽问题的一种方法是基于执行与短的光脉冲串的互相关(C.Dorrer，“High-speed measurements for optical telecommunication systems，”IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.12，843-858(2006)；N.Yamada，H.Ohta，and S.Nogiwa，“Polarization-insensitive optical sampling system using two KTP crystals，”IEEE Photon.Technol.Lett.16，215-217(2004)；M.Westlund，P.A.Andrekson，H.Sunnerud，J.Hansryd，and J.Li，“High-performance optical-fiber-nonlinearity-based optical waveform monitoring，”J.Lightwave Technol.20，2012-2022(2005)；J.Li，M.Westlund，H.Sunnerud，B.-E.Olsson，M.Karlsson，and P.A.Andrekson，“0.5-Tb/seye-diagram measurement by optical sampling using XPM-induced wavelength shifting in highly nonlinear fiber，”IEEE Photon.Technol.Lett.16，566-568(2004)；C.Dorrer，C.R.Doerr，I.Kang，R.Ryf，J.Leuthold，and P.J.Winzer，“Measurement of eye diagrams and constellation diagrams of optical sources using linear optics and waveguide technology，”J.Lightwave Technol.23，178-186(2005))。已经展示了用于互相关的各种技术，这些技术主要是基于非线性光栅的形式(N.Yamada，H.Ohta，and S.Nogiwa，“Polarization-insensitive optical sampling system using two KTP crystals，”IEEE Photon.Technol.Lett.16，215-217(2004)；M.Westlund，P.A.Andrekson，H.Sunnerud，J.Hansryd，and J.Li，“High-performance optical-fiber-nonlinearity-based optical waveform monitoring，”J.Lightwave Technol.20，2012-2022(2005)；J.Li，M.Westlund，H.Sunnerud，B.-E.Olsson，M.Karlsson，and P.A.Andrekson，“0.5-Tb/s eye-diagram measurement by optical sampling using XPM-induced wavelength shifting in highly nonlinear fiber，”IEEE Photon.Technol.Lett.16，566-568(2004))。例如，诸如“和-差频率生成”那样的非线性处理(N.Yamada，H.Ohta，and S.Nogiwa，“Polarization-insensitive optical sampling system using two KTP crystals，”IEEE Photon.Technol.Lett.16，215-217(2004))，四波混频(FWM)(M.Westlund，P.A.Andrekson，H.Sunnerud，J.Hansryd，and J.Li，“High-performance optical-fiber-nonlinearity-based optical waveform monitoring，”J.Lightwave Technol.20，2012-2022(2005))，以及交叉相位调制(J.Li，M.Westlund，H.Sunnerud，B.-E.Olsson，M.Karlsson，and P.A.Andrekson，“0.5-Tb/s eye-diagram measurement by optical sampling using XPM-induced wavelength shifting in highly nonlinear fiber，”IEEE Photon.Technol.Lett.16，566-568(2004))被用来以高达500Gb/s的数据速率对通信信号进行采样。还研究了基于相干线性检测的互相关(C.Dorrer，C.R.Doerr，I.Kang，R.Ryf，J.Leuthold，and P.J.Winzer，“Measurement of eye diagrams and constellation diagrams of optical sources using linear optics and waveguide technology，”J.Lightwave Technol.23，178-186(2005))，它在结构体系上类似于那些非线性技术。尽管这样的系统可以达到亚皮秒的采样分辨率，但采样点在时间上相隔很远，因为这些采样点由采样脉冲周期(大于1纳秒)所决定。结果，样本必须被后处理，以便重建重复波形或对应于数字数据流的眼图。光分组和非重复光波形不能通过使用这些采样技术被表征，而且信号中的快速波动很难监视和表征，因为每个泵浦脉冲到达在采样后的波形上仅生成单个点。