Optisches Sampling von hochratigen optischen Datensignalen

Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Entwicklung eines Messsystems, mit dem optische Datensignale mit hoher zeitlicher Auflösung analysiert werden können. Ein spezielles Ziel war die Messung von Augendiagrammen von optischen Datensignalen bei Datenraten von 160 Gbit/s und darüber hinaus. Ziel war es, die Analyse von Verzerrungen solcher Datensignale in faseroptischen Übertragungsstrecken mit Hilfe von optischen Augendiagrammen zu ermöglichen. Um das Ziel der hohen zeitlichen Auflösung zu erreichen, wurde die optische Abtasttechnik eingesetzt (Optisches Sampling). Das optische Samplingsystem basiert auf den fünf Bausteinen Taktrückgewinnung, Taktverarbeitung, optische Abtast-Pulsquelle, Abtasttor und opto/elektrischer Detektor. Um das System zur Analyse von Verzerrungen in Übertragungssystemen einsetzen zu können, wurde im Gegensatz zu den meisten anderen Arbeiten auf diesem Gebiet ein vollständiges optisches Samplingsystem entwickelt, das eine Taktrückgewinnung enthält. Zusätzlich hat das entwickelte System die höchste Abtastrate (d.h. die kürzeste Messzeit) aller bislang realisierten optischen Samplingsysteme. Verschiedene Konfigurationen des optischen Samplingsystems wurden im Rahmen dieser Arbeit realisiert. Insbesondere wurden verschiedene optische Abtasttore untersucht, da diese die optische Bandbreite des Samplingsystems bestimmen. Es wurden zwei Klassen von interferometrischen Abtasttoren untersucht, die auf der Nichtlinearität einer Glasfaser (nonlinear optical loop mirror , Kerr-Tor) oder eines Halbleiterlaserverstärkers (gain-transparent ultrafast nonlinear interferometer ) beruhen. In der vorliegenden Arbeit zeigte das NOLM-basierte optische Samplingsystem die höchste zeitliche Auflösung mit 1.5 ps. Dies entspricht einer optischen Bandbreite von 294 GHz. Das GT-UNI-basierte System erreichte eine etwas geringere zeitliche Auflösung von 1.7 ps (257 GHz). Die optische Bandbreite des Systems mit dem Kerr-Tor war 210 GHz (begrenzt durch die Pulsbreite der Abtastpulse). Das optische Samplingsystem wurde erfolgreich eingesetzt, um Augendiagramme und Signalmuster von optischen Datensignalen bei Datenraten von 160 Gbit/s und 320 Gbit/s zu vermessen. Bislang war dies aufgrund der begrenzten Bandbreite konventioneller elektrischer Samplingsysteme nicht möglich. Das optische Samplingsystem wurde verwendet, um qualitativ und quantitativ die Signalverzerrungen von Datensignalen bei einer Datenrate von 160 Gbit/s zu untersuchen. Erstmalig geschah dies unter Verwendung von Augendiagrammen, die im optischen Bereich abgetastet wurden. Als Beispiele für Signalverzerrungen wurden der Einfluss von Verstärkerrauschen, die Verschlechterungen der Datensignale durch die Nichtlinearität der Übertragungsfaser sowie der Einfluss verbleibender chromatischer Dispersion in einem 160 Gbit/s Übertragungssystem untersucht. Die Auswertung der gemessenen Augendiagramme wurde durch numerische Simulationen unterstützt. Für die Simulationen wurde ein split-step Fourier Algorithmus implementiert, um die nichtlineare Ausbreitungsgleichung für optische Pulse in Glasfasern zu lösen.The objective of this work was to develop a measurement system which is capable of analyzing optical data signals with high temporal resolution. The particular target was the measurement of eye diagrams of optical data signals at data rates of 160 Gbit/s and above. The aim was to enable the analysis of distortions of such data signals in fiber optic transmission systems using optical eye diagrams. To reach the goal of high temporal resolution, the optical sampling technique was employed. The optical sampling system is based on five building blocks, namely the clock recovery, clock processing, sampling pulse source, sampling gate and opto/electrical detector. In order to apply the optical sampling system to analyze signal distortions in transmission systems, a complete optical sampling system was developed which includes an optical clock recovery. This is in contrast to most other work in this field. Moreover, the developed system has the highest sampling rate (i.e. the fastest measurement time) achieved in an optical sampling system so far. Several configurations of the optical sampling system were realized in this work. In particular, different optical sampling gates were investigated since these gates determine the optical bandwidth of the optical sampling system. Two classes of interferometric sampling gates were studied, either based on the nonlinearity of a fiber (nonlinear optical loop mirror , Kerr gate) or of a semiconductor optical amplifier (SOA) (gain-transparent ultrafast nonlinear interferometer ). In this work, the NOLM based optical sampling system yielded the highest temporal resolution of 1.5 ps corresponding to an optical bandwidth of 294 GHz. The GT-UNI based system reached a slightly lower temporal resolution of 1.7 ps corresponding to an optical bandwidth of 257 GHz. The optical bandwidth of the system with the Kerr gate was 210 GHz (2.1 ps), limited by the pulse width of the sampling pulses used in the experiments. The realized optical sampling system was successfully applied to measure eye diagrams and waveforms of optical data signals at a data rate of 160 Gbit/s and 320 Gbit/s. Before, this was impossible due to the limited bandwidth of conventional electrical sampling systems. The optical sampling system was applied to analyze qualitatively and quantitatively the signal distortions that a 160 Gbit/s optical data signal suffers upon passage through fiber transmission links. For the first time, this was done using eye diagrams that were sampled in the optical domain. As examples of signal distortions, the effect of amplifier noise, the signal degradation due to the nonlinearity of the transmission fiber and the effect of residual chromatic dispersion were investigated in a 160 Gbit/s transmission system. The analysis of the measured eye diagrams was supported by numerical simulations. For the simulations, a split step Fourier algorithm was implemented to solve the nonlinear propagation equation for optical pulses in fibers

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