– Man tar bara en pulsad laser med en pikosekund breda pulser och mycket branta flanker, och så kör man in den i en olinjär fiber... Allting låter så självklart när Henrik Sunnerud, produktutvecklare på Exfo Sweden AB över en kopp kaffe förklarar hur det nya oscilloskopet med 500 gigahertz bandbredd som de byggt, fungerar. Det är enkelt, fortsätter han, man stoppar bara in en klocksignal på tio gigahertz...
På optiklabbet med forskarna Henrik Sunnerud och Mattias Westlund på Chalmers fotonikavdelning.
Det hela började för fem år sedan när en idé sprang upp i Chalmersprofessorn Peter Andreksons huvud, skulle man inte kunna... hmm... Jo, det skulle man. Och sedan fick fyra Chalmersteknologer jobba fram vad som idag är en världsunik produkt. Alltihop produktifierades och hamnade i det svenska företaget Picosolve, som dock nyligen förvärvades av kanadensiska Exfo.
– Vi utnyttjar egentligen bara en gammal idé om olinjäritet i fiber, så metoden har varit känd länge, men sedan har maskinvara tillkommit som gjort mätningarna möjliga och så har vi själva bidragit med idéer kring synkronisering i mjukvara (det vi andra skulle kalla autotriggning). Det är mycket svårt att trigga på en 40-gigahertzsignal i hårdvara. Istället samplar vi med en free-running (osynkad) laser och gör triggningen som en mjukvarufunktion.
Ser du fibern? Claddingen (fiberkärnans mantel) är dryga 0,1 mm tjock.
Exfos optiska samplingoscilloskop finns i två modeller, PSO 101 och 102, en enkanalig och en tvåkanalig version. Upplösningen i tid är 0,8 ps (8xE-13 s), vilket kan översättas till en bandbredd på 500 GHz. Upplösningar på 0,8 ps behövs när man ska mäta på 40 Gbps-data där bitarna är 25 ps långa. Detta ska jämföras med de bästa elektroniska oscilloskopen som idag har en bandbredd på 50 GHz som bäst och kostar kring en miljon. Det tvåkanaliga PSO har dessutom lite extra lullull för att kunna göra diffmätningar mellan kanalerna för mätning på DPSK-signaler på 28 gigasymboler per sekund.
Timingjittret (mätonoggrannheten) ligger under 50 fs (5xE–14 s). Signal/brusförhållandet kan bli bättre än 40 dB, vilket är tämligen unikt. Svindlar det för dig? Det borde det.
Konstruktionen är modern. Oscilloskopet ansluts till en vanlig PC via USB 2.0 och styrs med ett lättanvänt grafiskt gränssnitt i Windows.
Den ser inte mycket ut för världen, PSO 101. Det finns bara två ingångar, den optiska fibern och en klocka på 10 GHz som man kan ansluta om signalen behöver synkroniseras. Men för det mesta klarar programvaran det ändå.
Programvaran är en stor del av hemligheten. Eftersom det är så svårt att trigga på en 25 ps-signal har man istället löst det så att man eftertriggar på den samplade signalen, som man alltså samplar helt osynkront med indata. Det spelar ingen roll, för efter tillräckligt många sample kan man ändå återskapa en representation av insignalen och vika ihop denna över sig själv tillräckligt många gånger för att kunna göra ögondiagram. Programmet kan också medelvärdesbilda flera färdiga signaler på varandra för att bli av med brus. Ytterligare en möjlighet är spektrumanalys av data (inte den optiska vågformen) genom fouriertransformering av vågformen.
Glasspinnar är vanliga på optiklabb. Man har dem för att stadga upp tillfälliga fiberskarvar med.
PSO-oscilloskopet har sina nackdelar. Det kan givetvis bara mäta på optiska signaler, om man nu tycker att det är en nackdel. Instrumentet fungerar på det infraröda C-bandet, där all långdistanstrafik körs: 1525 - 1565 nm. Anledningen till detta är att förlusterna är lägst där och att det finns bra förstärkare i detta band.
En mätning
En typisk mätkoppling tillsammans med innanmätet i PSO 101. Lasern längst till vänster matar in en kontinuerlig stråle i en polarisationskompensator där polarisationen kan vridas för att passa Mach-Zender-modulatorn. Modulatorn förses med ett datamönster av ettor och nollor från mönstergeneratorn. Detta är vår simulerade transmission. Inne i PSO 101 finns en pulsad pumplaser som matar ut korta samplingspulser (inte alls i synk med data) som blandas ihop med signalstrålen i en slinga olinjär fiber.
Den olinjära fibern blandar de båda signalerna och skapar en skillnadssignal med ursprungssignalens amplitud, som man filtrerar ut med det efterföljande filtret. Och sen kommer det fina i kråksången: skillnadssignalen går in i en detektor som inte behöver vara särskilt snabb. Den elektriska signalen ur detektorn går in i en A/D-omvandlare som inte heller behöver vara särskilt snabb. Denna klockas med klockpulsen från pumplasern, vilket blir till en data rate som lätt kan tas om hand av ett USB-interface och behandlas av ett Windows-program.
Och här är några av komponenterna som ingick i mätkopplingen.
Den kontinuerliga lasern matar ut en effekt på 30 mW vid 1540 nm.
Polarisationskompensatorn är en anordning med tre fiberslingor som kan vridas i förhållande till varandra. Det får ljusets polarisation att förändras.
Det kontinuerliga laserljuset moduleras av och på i en Mach-Zender-modulator (pikosekundprylar) och blir till en bitström, som går vidare i fibern till PSO 101. Datasignalen kommer in på koaxkabeln.
Hur går det till, rent optiskt?
Tidsdiagrammet visar principen för en mätning. Datapulståget som ska mätas upp består av ettor och nollor (tänt och släckt laserljus), men flankerna är ingalunda raka, utan sneda och vinda. Vi talar om pikosekunder. Pumplasern träffar datapulståget lite här och var. Resultatet är en idlerpuls där det fanns en etta, med en pulsamplitud av samma amplitud som ettan och ingen svarspuls alls där det fanns en nolla. Den sanna signalen återges inte alls, utan ett konglomerat av miljarder datapulser som ändå bildar en tydbar vågform som ett medelvärde. Det viktiga är att amplituderna blir rätt och att flankerna får korrekt branthet.
Datasignalen blandas med pumplasern (en beat-oscillator om man så vill), och skillnadssignal (idlern) bilads, när ineffekten är tillräcklig. I den nuvarande versionen av oscilloskopet måste man filtrera fram just den våglängd man vill undersöka, ur den mängd optiska datakanaler som kan finnas på C-bandet.
Och mätresultatet då?
Eye-mätningen (ögondiagram) är en av de vanligaste man gör på digitala förbindelser och så här ser det ut på PSO-101 vid dryga 40 Gbps. Hög nivå, 35 mW ineffekt, är ”etta”, medan låg nivå är nolla. Det ska vara så stor skillnad som möjligt mellan etta och nolla och flankerna ska vara så branta som möjligt. Man säger att ”ögonen ska vara så öppna som möjligt”. Är skillnaden mellan etta och nolla för liten går det inte att detektera en utsignal. Observera graderingen på tidsaxeln!
Genom att medelvärdesbilda över en mängd cykler kan man få en enklare visning, sk eyeline mode.
Med Mask hit analysis kan man ställa upp fördefinierade kvalitetskrav på en överföring och oscilloskopet kan uppskatta kvaliteten. Detta är nästan inte möjligt vid 40 Gbps med ett elektriskt oscilloskop.
Du kan göra olika sorters histogram över spridningen i vågformen. Det är också en kvalitetsanalys.
Vill du göra specifika mätningar har oscilloskopet en mängd olika nivå- och tidsmarkörer tillgängliga, och kan utföra beräkningar på dem.
Andra exempel på mätresultat
640 Gbps O-TDM-överföring. Här är vi uppe långt över de stipulerade 40 Gbps. Apparaten kan med nöd visa 1,28 Tbps data, men flankerna blir inte så ruskigt branta.
PSO 101 kan visa signalmönster utan triggning också, bara det är tillräckligt repetitivt, sådär 64 bitar.
Fasmodulation nästa
För att få högre signal/brusförhållande på långdistanslänkar håller de stora telekomleverantörerna på att gå över till faskodmodulering (DPSK och DPQSK) och lämna den rena amplitudmoduleringen. Resultatet är att man kommer dubbelt så långt med samma effekt eller lika långt med dubbelt så bra signal/brus. Data mäts då som skillnaden mellan denna bit och förra biten i en interferometer. I mottagaren försenar man helt enkelt en bit i en fiberslinga så att den kan jämföras med påföljande bit, så man kan få skillnaden. Ut ur interferometern som jämför bitarna kommer en konstruktiv och en destruktiv interferens (eller signal och inverterad signal) som kopplas till Exfos tvåkanaliga oscilloskop för diffmätning. På så sätt kan man uppnå hela 43 dB signal/brus.
Olinjär fiber
Alltihop är baserat på ett stycke olinjär fiber. Att den är olinjär betyder att fibern kan blanda ljus av två våglängder och ge en skillnadssignal ut, ungefär som en superheterodynblandare i en radio. Hur skaffar man en olinjär fiber? Sanningen är att alla fibrer är olinjära och att olinjäriteten växer med minskande area, men normalt vill man helst inte ha olinjäritet och använder så stor area att olinjäriteten inte betyder något. Transmissionsfiber har en kärndiameter på 10 mikrometer och är så linjär man kan begära, men fiber med 3 mikrometers kärndiameter är starkt olinjär. Man får ihop de båda genom att helt enkelt svetsa ihop dem som man brukar, lägga dem intill varandra och värma, så de smälter de ihop. En dämpning på mindre 0,5 dB är möjlig att uppnå i en sådan skarv.
Egentligen är en olinjär fiber inte så konstig. Linjäriteten är direkt proportionell mot arean. Minskar man diametern från transmissionsfiberns 10 mikrometer (78,5 μm²) till 3 mikrometer (7 μm²) ökar effekttätheten 100 gånger och då börjar det hända saker. Effekten man utnyttjar kallas för fyrvågsmixeffekten FWM. Effekten på utgående sample (idler) kan skrivas som
P[idler] = P[sample] (λ P L)²
Idler-effekten är alltså kvadratiskt proportionell mot olinjäritetskonstanten (λ), pumpeffekt (P) och den olinjära fiberns längd (L) och givetvis direkt proportionell mot datasignalen (P[sample]). Oscilloskopets verkningsgrad varieras enklast genom att man varierar längden (L) och det är en faktor man räknar på hela tiden. Anslutningen mot standardfiber är ganska rakt på sak. Man går till väga på precis samma sätt som när man skarvar annan fiber, lägger fiberändarna mot varandra, värmer på, ber en bön och så svetsas de ihop. Förluster på under 0,5 dB är möjliga. Alternativt kan man köpa färdig olinjär fiber med påsvetsade sk pigtails av standarddiameter direkt från fabrik (se Furukawa, nedan).
Den ytterst tunna 3 μm-fibern är inte utan sina problem, som till exempel dispersion (olika tidsfördröjning av olika våglängder). Utvecklingen av olinjära fibrer har pågått under ett tiotal år och är inte färdig än.
Framtiden verkar ljus, men lite hemlig
Om några år är det 100 Gbps som börjar flyta fram i ledningarna och har inga andra instrument av samma kaliber dykt upp har Exfo hela världen för sig själv. Tillverkarna sitter just nu och funderar på hur 100 Gbps ska tillverkas, men de har bara den gamla utrustningen. De är givna köpare. Det verkar finnas en japansk tillverkare av en motsvarande produkt, men den kommer tydligen inte i närheten. Den potentiella marknaden är enorm, bara alla telekomleverantörer inser att det är 500 GHz de behöver. Många tycker att det är overkill, ännu, men snart knackar 100 Gbps-standarden på dörren och då kommer det att behövas.
100 gigabit Ethernet, en baggis.
Vad ska Exfo-folket sysselsätta sig med härnäst? Det är nya produkter på gång inom samma arbetsområde, men Henrik Sunnerud avböjer att berätta ytterligare detaljer, för att inte ge bort fördelar till konkurrenterna. Gång på gång sticker lilla Sverige ut hakan med en revolutionerande idé eller produkt. Svenska ingenjörer går inte av för hackor.
Fem bra saker med PSO
>> Bandbredden är extremt mycket större än tidigare, elektriska konstruktioner.
>> Timingjittret, mätfelet i tiden, är oerhört lågt, bara 30 fs RMS. Det är världsbäst.
>> Signal/brusförhållanden på 43 dB kan mätas, farmför allt tack vare apparatens stora dynamiska område. Den tål hög ineffekt, upp till 50 mW.
>> Till skillnad från elektriska oscilloskop störs PSO varken ringningar eller overshoot.
>> Trigg behövs inte. Signalen synkroniseras i programvara.
Så går du vidare
Picosolves hemsida finns ännu kvar: www.picosolve.com
Fortsätt sedan hos Exfo: www.exfo.com/en/Products/Products.aspx?Id=432&Cp=Home
Furukawa Electric gör olinjär fiber: www.specialtyphotonics.com/pdf/products/fibers/other/Highly%20Non%20Linear.pdf
Läs om de optiska banden: http://en.wikipedia.org/wiki/Fiber-optic_communication#Transmission_windows
Mach-Zender-modulatorer är intressanta: www.photonics.com/Content/ReadArticle.aspx?ArticleID=32251
Snabbdata om PSO 101 och 102
Upplösning: < 1 ps
Bandbredd: > 500 GHz
Optisk bandbredd: 1525 - 1565 nm (C-bandet)
Känslighet: 1 mW för 20 dB signal/brus
Högsta signal/brus: > 40 dB
Timingjitter: < 50 fs
Extern synk: <= 25 GHz
Polarisationsoberoende
Oberoende av bit-rate och modulationstyp
Triggning behövs inte
Refresh rate: 10 Hz
Utgång: USB 2.0
