[發明專利]通過使用四波混頻進行時間展寬的高速光采樣

無效

• 申請號: 201080015666.4
• 申請日: 2010-02-04
• 公開（公告）號: CN102388298A
• 公開（公告）日: 2012-03-21
• 發明（設計）人: M·利普森;A·加埃塔;R·薩利姆;M·福斯特;D·格拉格提;A·特納
• 申請（專利權）人: 康奈爾大學
• 主分類號: G01J9/00
• 分類號: G01J9/00
• 代理公司: 北京萬慧達知識產權代理有限公司 11111
• 代理人: 楊穎;張一軍

相關申請的交叉引用

本申請要求由Lipson等在2009年2月5日提交的、題為“High-Speed?Optical?Sampling?by?Temporal?Stretching?Using?Four-Wave?Mixing”的共同待審的美國臨時專利申請第61/150,270號的優先權和權益，該專利申請在這里通過整體引用而并入。

關于聯邦資助的研究或開發的聲明

所公開的發明是在來自DAPRA的DSO?OAWG項目下和在由國家科學基金給予納米級系統中心的撥款下的政府資助下完成的。美國政府擁有本發明的權利。

1.技術領域

本發明涉及用于基于輸入信號波形的時間展寬的超快速光波形采樣的方法和設備。

2.背景技術

光電二極管當前結合實時示波器被使用；然而，采樣率被限制在60GS/s，其能夠處理高達30GHz帶寬的信號。當前的光采樣系統使用短的光脈沖用于高分辨率采樣。然而，這些系統不能單次(single-shot)操作，因此不能采樣短的光分組或者不能在非重復波形下工作。

也可以利用自相關和互相關，然而，光信號必須是從結果推斷出的，而且在長于幾皮秒的記錄長度上不能進行單次測量。

其它已知的方法包括頻率分辨光柵(FROG)和用于直流電場重建的光譜位相干涉儀(SPIDER)。然而，使用這些技術的用于單次表征的記錄長度僅限于幾皮秒。

表征超快速光信號在下面列舉的許多科技領域中具有廣泛的應用，如超快速現象(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)赫光譜學(M.Tonouchi，“Cutting-edge?terahertz?technology，”Nature?Photonics?1，97-105(2007))和超高帶寬通信(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))。用于光信號采樣的傳統光電子方法使用高速檢測器和采樣保持電路，它們不能被應用于具有過大帶寬的信號。所提出的用來克服這個帶寬問題的一種方法是基于執行與短的光脈沖串的互相關(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))。已經展示了用于互相關的各種技術，這些技術主要是基于非線性光柵的形式(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，諸如“和-差頻率生成”那樣的非線性處理(N.Yamada，H.Ohta，and?S.Nogiwa，“Polarization-insensitive?optical?sampling?system?using?two?KTP?crystals，”IEEE?Photon.Technol.Lett.16，215-217(2004))，四波混頻(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))，以及交叉相位調制(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))被用來以高達500Gb/s的數據速率對通信信號進行采樣。還研究了基于相干線性檢測的互相關(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))，它在結構體系上類似于那些非線性技術。盡管這樣的系統可以達到亞皮秒的采樣分辨率，但采樣點在時間上相隔很遠，因為這些采樣點由采樣脈沖周期(大于1納秒)所決定。結果，樣本必須被后處理，以便重建重復波形或對應于數字數據流的眼圖。光分組和非重復光波形不能通過使用這些采樣技術被表征，而且信號中的快速波動很難監視和表征，因為每個泵浦脈沖到達在采樣后的波形上僅生成單個點。