專利名稱：基于雙驅(qū)m-z型調(diào)制器的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子技術(shù)領(lǐng)域中的光模數(shù)轉(zhuǎn)換器，特別地涉及利用雙驅(qū)M-Z(Mach-Zender,馬赫-曾德爾)型調(diào)制器陣列實現(xiàn)光域內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。
背景技術(shù)：
模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-digital Converter,簡稱ADC)是一種將模擬信號轉(zhuǎn)換為相對應的數(shù)字信號的器件，它搭建了數(shù)字世界和模擬世界之間的橋梁。自然界中存在的信息大多以模擬信號的形式存在，但模擬信號存在著保密性差、抗干擾能力弱等缺點?，F(xiàn)在各種數(shù)字設備的使用日益廣泛，使得模擬信號必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號才能進行處理。同模擬系統(tǒng)相比，數(shù)字系統(tǒng)具有優(yōu)良的抗干擾性、穩(wěn)定性、處理精度、 集成度等。為了完成信號從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)變，作為模擬和數(shù)字系統(tǒng)接口的模數(shù)轉(zhuǎn)換器便顯得越來越重要。然而同現(xiàn)在科技應用的發(fā)展要求相比，傳統(tǒng)的電子ADC發(fā)展速度存在著滯后于數(shù)字信號處理發(fā)展速度的問題。另一方面，越來越多的寬帶應用，例如寬帶信號處理，寬帶雷達，電子監(jiān)測，擴頻通信和電子對抗，都需要更高的ADC處理性能。因此，有限的ADC性能就成為了寬帶信號獲得和處理的瓶頸。近年來隨著光子技術(shù)的飛速發(fā)展，光域ADC的實現(xiàn)已經(jīng)成為近30年來的一個研究熱點，尤其是具有高重復率和低時間抖動的鎖模激光器的發(fā)明，其被認為是一個極好的采樣源(參考文獻=Valley GC. Photonicanalog-to-digital converters. Optics Express. 2007; 15 (5) : 1955-82.),如電子 A-2調(diào)制器的采樣峰值速率大約為20GS/s，而鎖模激光器的重復率可達到50GHz甚至更高，時間抖動也比電子信號源小I到2個數(shù)量級。這可以顯著提高ADC的工作性能。因此，光模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)與傳統(tǒng)的電子模數(shù)轉(zhuǎn)換器相比具有明顯的優(yōu)勢。雖然光域ADC在近幾年才得到高速發(fā)展，但首次利用光脈沖對模擬電信號進行采樣是 A. E. Siegman 和 D. J. Kuizengaz 在 1970 年就已提出(參考文獻Siegman A, KuizengaD.Proposed method for measuring picosecond pulsewidths and pulse shapes in cwmode-locked lasers. Quantum Electronics, IEEE Journal of. 1970; 6 (4) : 212-5.)。那時他們進行試驗的目的是對皮秒量級的超短光脈沖進行測量，但光釆樣思想的提出可以認為是光模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的起源。在光電混合模數(shù)轉(zhuǎn)換中，已經(jīng)發(fā)展起來的方案中有的是利用光脈沖來為釆樣-保持電路提供時鐘(參考文獻Jacobs E, Sobti J, Vella V, Nguyen R, Albares D, OlsenR, et al. Optically clocked track-and-hold for high-speed high-resolutionanalog-to-digital conversion. 2004: IEEE;2004. P. 190-2.)。有的則是用光脈沖觸發(fā)電子束來實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換(參考文獻Pease RF, Ioakeimidi K，Aldana R, LehenyR. Photoelectronic analog-to-digital conversion using miniature electronoptics:Basic design considerations. Journal of Vacuum Science & TechnologyB!Microelectronics and Nanometer Structures. 2003;21 (6):2826. )D 比較引人注目的是近幾年發(fā)展起來的時域展寬光模數(shù)轉(zhuǎn)換方案(參考文獻Han Y，JalaliB.Continuous-time time-stretched analog-to-digitalconverter array implementedusing virtual time gating.Circuits and Systems I: Regular Papers, IEEETransactions on. 2005; 52 (8) : 1502-7.)。它通過一段色散介質(zhì)對光脈沖進行時域上的展寬，從而減低信號速率，但展寬過程中信號失真、光纖色散對信噪比的影響以及系統(tǒng)同步等是該方案面臨的主要問題。另一種方法是利用高重復頻率光脈沖對電信號進行采樣，然后再利用電子ADC進行量化編碼處理。為了降低對終端電子ADC的要求，Bell等人提出了采用時分復用(TDM :Time Division Multiplexing)的光采樣電量化模數(shù)轉(zhuǎn)換方案(參考文獻Bell JA, Hamilton MC, Leep DA. Optical sampling and demultiplexing appliedto A/D conversion. 1991; 1991. P. 276. )D采用時分復用方式的一個難點是時分復用系統(tǒng)比較復雜，為了解決這個問題，加州理工大學的Yariv教授在1998年提出了波分復用(WDM : Wave length Division Multiplexing)與時分復用相結(jié)合的模數(shù)轉(zhuǎn)換方案(參考文獻Yariv A, Koumans R. Time interleaved optical sampling for ultra-high speed A/D conversion. Electronics Letters. 1998; 34 (21) : 2012-3.)。但無論是時分復用還是波分復用，都需要采用較多電子ADC，這是該種方案的一個主要的限制因素。而全光模數(shù)轉(zhuǎn)換是在光域進行取樣量化編碼處理，在全光模數(shù)轉(zhuǎn)換中，最著 名的當屬H. F. Taylor在1975年提出的方案(參考文獻Taylor HF. An electroopticanalog-to-digital converter. Proceedings of the IEEE. 1975;63(10):1524-5. X 其結(jié)構(gòu)核心為M-Z調(diào)制器陣列，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的每一路都由一個干涉調(diào)制器組成，待轉(zhuǎn)換模擬信號同時驅(qū)動每一個調(diào)制器，相鄰調(diào)制器的電極長度按二倍關(guān)系指數(shù)增加，從而使其半波電壓按二分之一關(guān)系指數(shù)遞減。利用晶體的電光效應使得輸入調(diào)制器兩臂的光之間產(chǎn)生相位差，從而使得兩臂合成的輸入光強度受到外加在干涉儀電極上的模擬輸入電壓調(diào)制。Taylor的方案結(jié)構(gòu)簡單，可以直接輸出二進制Gray碼，并且所有器件原則上可以集成到一個芯片上。但是這種方案要求對每一個調(diào)制器參數(shù)進行特殊設計，并且有一個固有限制是每增加一個比特新增加的信道干涉儀對應電極長度需要比最低有效位的調(diào)制器電極的長度增加一倍。這樣當比特位增加時，半波電壓很快就減少到當前工藝水平所能達到的程度。此方案做到了 IGHz采樣率，4比特碼轉(zhuǎn)換，500MHz信號帶寬，后續(xù)再無這方面的研究進展。在公開號CN1635417的專利文獻中，楊亞培等人在Taylor方案基礎上提出了一種新的等效方案即采用相同電極長度的調(diào)制器，通過在調(diào)制器上所加的信號電壓翻倍來實現(xiàn)調(diào)制曲線周期的翻倍(參考專利楊亞培，張謙述，戴基智，張曉霞，劉永智，“一種集成光學M-Z結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器”，公開號CN1635417)，但是這樣對前面電信號的處理就提出了更高的要求，同時也大大限制了系統(tǒng)帶寬，而且對調(diào)制器性能也提出了更高的要求。此外，美國的Jalali教授提出了一種Folding-Flash的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換方案(參考文獻Jalali B1XieY.Optical folding-flash analog-to-digital converter with analog encoding.Optics letters. 1995; 20 (18) : 1901-3.)。該方案通過對相同的調(diào)制器設置不同的直流偏置點，可以實現(xiàn)調(diào)制特性曲線的相移，同時級聯(lián)多個相同調(diào)制器又可以實現(xiàn)調(diào)制特性曲線周期的翻倍，結(jié)合相移以及翻倍的調(diào)制特性曲線，可以實現(xiàn)對所加載模擬電信號的量化編碼。該方案采用了商用調(diào)制器，但設計復雜，波導延遲大。2005 年 Johan Stigwall 提出的“相移光量化”(PS0Q :Phase_Shifted OpticalQuantization)的方案(參考文獻StigwalI J, Galt S. Interferometricanalog-to-digital conversion scheme. Photonics Technology Letters, IEEE. 2005;17(2):468-70. XStigwall在2005年最早提出的是一種基于空間干涉的移相光量化的方案。在空間M-Z干涉儀的一臂中放入一個相位調(diào)制器，待模數(shù)轉(zhuǎn)換的模擬電信號通過該相位調(diào)制器來調(diào)制該路光脈沖的相位。在兩臂干涉之后通過在不同的位置放置n個光電探測器來探測干涉后的光強。每相鄰兩個探測器的空間相移的差值為n/n，這樣n個探測器測得的輸出特性之間也就有了 n/n的相移。此種方案中，采樣光脈沖只需要通過一個相位調(diào)制器就可以完成對模擬電信號的采樣，量化的精度取決于調(diào)制曲線的數(shù)目，從而避免了 Taylor方案中最大的難題。然而Stigwall方案是基于自由空間光學引入相位差，相偏實現(xiàn)需要通過機械調(diào)節(jié)實現(xiàn)。其性能易受周圍環(huán)境影響，長期工作穩(wěn)定性差。而本發(fā)明是通過集成的雙驅(qū)M-Z調(diào)制器實現(xiàn)，且相偏調(diào)節(jié)通過電壓控制，穩(wěn)定性高。吳慶偉等人提出了一種新的相移光模數(shù)轉(zhuǎn)換方法(參考專利吳慶偉，張洪明，姚敏玉，“基于非對稱M-Z調(diào)制器的光模數(shù)轉(zhuǎn)換器”，公開號CN101021666)，該方法只使用了一個電光調(diào)制器和兩個波長激光器，但是所用非對稱M-Z調(diào)制器需要特殊設計，后續(xù)通過濾波編碼處理部分較復雜。
此外，還有人提出了光譜編碼的全光數(shù)模轉(zhuǎn)換?；舅枷胧峭ㄟ^某種非線性效應將采樣之后的光脈沖強度轉(zhuǎn)換為光脈沖光譜上的某種變化，然后利用現(xiàn)在已經(jīng)很成熟的波長處理器件對光譜上的變化進行處理，就可以實現(xiàn)量化編碼。著名的方案是Chris Xu提出的基于孤子自頻移的模數(shù)轉(zhuǎn)換(參考文獻Xu C，Liu X. Photonic analog-to-digitalconverter using soIiton self-frequency shift and interleaving spectral filters.Optics letters. 2003; 28 (12) :986-8.)。但非線性效應對采樣光脈沖提出了很高要求，所以難以實現(xiàn)高的量化精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決上述問題，提出一種基于雙驅(qū)M-Z(MaCh-Zender，馬赫-曾德爾)型調(diào)制器的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)工藝易實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)靈活，采樣和量化都在光域內(nèi)實現(xiàn)，具有較高采樣速率和比特精度。本發(fā)明是一種基于雙驅(qū)馬赫-曾德爾型調(diào)制器的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，如圖I所示，它含有N個M-Z調(diào)制器4，每一個M-Z調(diào)制器的兩臂各有一個調(diào)制電極5和6，通過I XN分路器，將N個M-Z調(diào)制器并接起來。待量化模擬電信號經(jīng)過放大器11放大后以并聯(lián)方式通過射頻端口分別加到N個M-Z調(diào)制器的一臂中的調(diào)制電極5，然后調(diào)制到由激光器產(chǎn)生的采樣光脈沖上，N個M-Z調(diào)制器的另一臂的電極6分別加適當?shù)闹绷髌珘?；每一路中，M-Z調(diào)制器的輸出經(jīng)過一個光電探測器7，由光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，再?jīng)過電子放大器8的放大被輸入到比較器9中，比較器9的輸出即為模擬電信號的量化結(jié)果。其特征是，N個M-Z調(diào)制器其中一臂的調(diào)制電極5長度相等，另一臂的調(diào)制電極6分別加相應的直流偏壓。相對于Taylor方案而言，本發(fā)明使用雙驅(qū)M-Z型調(diào)制器，不需要特殊設計。在M-Z調(diào)制器的一臂加待轉(zhuǎn)換模擬電信號，另一臂加直流電壓改變相位差。使得每一個M-Z調(diào)制器的調(diào)制電極長度相等，從根本上克服了 Taylor方案的弊端。其中i路M-Z調(diào)制器的輸出可以表示為
權(quán)利要求
1.基于雙驅(qū)M-Z型調(diào)制器的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其特征在于，包含有短脈沖激光源(1)，光分路器(2)，通過光纖(10)連接偏振控制器(3)，連接N個M-Z調(diào)制器(4);每一個M-Z調(diào)制器的兩臂各有一個調(diào)制電極(5)和(6)，通過IXN分路器(2)，將N個M-Z調(diào)制器并接起來；待量化模擬電信號經(jīng)過放大器(11)放大后以并聯(lián)方式通過射頻端口分別加到N個M-Z調(diào)制器的一臂中的調(diào)制電極(5)，從而調(diào)制到由短波脈沖激光源(I)產(chǎn)生的采樣光脈沖上，N個M-Z調(diào)制器的另一臂的電極(6)分別加適當?shù)闹绷髌珘海幻恳宦分?，M-Z調(diào)制器的輸出經(jīng)過一個光電探測器(7)，由光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，再?jīng)過電子放大器(8)的放大被輸入到比較器(9)中，比較器(9)的輸出即為模擬電信號的量化結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于雙驅(qū)M-Z型調(diào)制器的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其特征在于，所用調(diào)制器其中一臂的調(diào)制電極(5)加待量化模擬信號，另一臂的調(diào)制電極(6)分別加相應的直流偏壓；所述的N取整數(shù)，可以取數(shù)值4。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于雙驅(qū)M-Z型調(diào)制器的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其特征在于，短脈沖激光源(I)為具有高重復頻率的短脈沖光源，用于對微波輸入信號進行光采樣，短脈沖光源可以基于光纖或半導體技術(shù)實現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于雙驅(qū)M-Z型調(diào)制器的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其特征在于，所用雙驅(qū)M-Z型調(diào)制器(4)以LiNbO3為襯底，加微波輸入信號一臂的電極(5)長度相等，從而半波電壓相等，而另一臂的電極(6)加直流電壓以產(chǎn)生調(diào)制器傳輸信號的相偏。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于雙驅(qū)M-Z型調(diào)制器的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其特征在于，在雙驅(qū)M-Z型調(diào)制器前加偏振控制器(3)使由分路器輸出的激光的偏振方向與調(diào)制器支持的TE或者TM模方向一致。
6.基于雙驅(qū)M-Z型調(diào)制器的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法，其特征在于包含以下步驟 (1)將短脈沖激光源(I)產(chǎn)生的高重復率光脈沖輸入一個I:N的分路器，Nli=Iog2(2N)，其中Nk為比特精度； (2)采用的M-Z型調(diào)制器陣列其中一臂(5)的電極長度相等，通過RF端口加載待量化模擬信號，另一臂(6)的電極長度理論上可以不相等，只要保證加合適的直流電壓即可； (3)在N路光中，任意相鄰兩路光之間的直流偏置點的相位偏移相等。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于雙驅(qū)M-Z型調(diào)制器的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法，其特征在于，第i路調(diào)制器的輸出可以表示為 I1 , 其中，Iin是輸入光強度，朽=Fffl是由加在電極(5)的模擬電信號Vs (t)引起的相移，％ =疋匕/匕2是由加在電極(6)的直流電壓Vbi引起的相移，Vnl和Vn2為電極(5)和(6)的半波電壓，S卩，使光產(chǎn)生相移所加的電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的基于雙驅(qū)M-Z型調(diào)制器的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法，其特征在于，步驟(I)進一步包括 在外加直流電壓形成的電場作用下，晶體的折射率，光吸收光散射特性發(fā)生了變化，由此產(chǎn)生電光效應，當晶體特定方向施加電場作用時，由于電光效應導致晶體折射率的改變，繼而引起晶體中傳輸光波的額外相位變化，從而在一定的半波電壓下，使相移隨所加直流電壓線性變化。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于雙驅(qū)M-Z型調(diào)制器的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法，其特征在于，所述的步驟(3)進一步包括 為了得到統(tǒng)一的量化結(jié)果，輸出的N路被調(diào)制光信號中，相鄰兩路之間因為所加直流電壓而產(chǎn)生的相移差為/Sxpb 二 Ti IN 其中N表示系統(tǒng)中M-Z型調(diào)制器的個數(shù)；在N路光路中，由直流偏置電壓導致的任意相鄰兩路光信號之間的相移差都相等；相移量由加在電極(6)的直流電壓決定。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于雙驅(qū)M-Z型調(diào)制器的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法，其特征在于，所述的N取整數(shù)，可以取數(shù)值4。
全文摘要
一種基于雙驅(qū)馬赫-曾德爾(Mach-Zender,M-Z)型調(diào)制器的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，屬于光模數(shù)轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域。用N個半波電壓相等的雙驅(qū)M-Z調(diào)制器陣列來實現(xiàn)。在M-Z調(diào)制器的一臂通過射頻端口把待轉(zhuǎn)換的模擬電信號調(diào)制到光脈沖上，另一臂加合適的直流電壓，可以使得在輸出端每相鄰兩個通道之間的直流電壓產(chǎn)生的相位偏移量均為π/N，從而M-Z調(diào)制器的傳輸函數(shù)相對輸入模擬信號電壓產(chǎn)生線性平移。被調(diào)制的N路光脈沖通過光電探測器與比較器的比較判決后，便可得到N路線性的二進制編碼的數(shù)字信號。此方法結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，且轉(zhuǎn)換位數(shù)高。
文檔編號G02F7/00GK102799045SQ20121032081
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月31日
發(fā)明者章琎, 王目光, 楊子文, 李唐軍 申請人:北京交通大學