电子技术论坛_中国专业的电子工程师学习交流社区-中电网技术论坛

标题: 光学模数转换器的原理及发展（2） [打印本页]

作者: yuyang911220 时间: 2017-5-16 10:41 标题: 光学模数转换器的原理及发展（2）

平衡桥式光学模数转换器用3 dB耦合器代替Y分支波导［6］（见图3），以降低传输损耗，而且由于调制器后的比较器的2个输入端受到相同的作用，因而即使光源的强度发生起伏也不致于引起明显的转换误差。但该结构工艺上比较苛刻，而且同Mach－Zehnder型模数转换器相比，需要2倍的比较器。
　　通道光波导Fabry－Perot调制器［7］（见图4）不需要制作复杂的Y分叉波导，而只需要制作直的通道波导，避免了技术上的复杂性并且减少了器件的总长度，降低了光插入损耗。但是每一比特位就需要一个激光器，这就影响了它的比特位的提高　　上述2种器件都是由Taylor的方案改进、演化而来，从原理上来说，它们都依然摆脱不了半波电压带来的限制，总的说来性能也没有能够超过Mach－Zehnder型的光学模数转换器的性能限制。但Taylor提出的方案具有很深远的影响，进入90年代以后，还有人对其进一步加以改进，以期能提高它的性能。这里值得一提的有2种方法。一种方法提出了一种对称数字系统［8］，其核心思想是通过增加少量比较器，得到多个不同的量化级，从而显著的增加了比特精度，其编码方案如图5所示。该方法采用3个干涉仪，39个比较器，可实现 11 bit的精度。但这种方法提高的是标称精度，对有效比特位提高远不如标称精度那么大。另一种方法通过优化波导的设计，提出了一种光学folding－ flash模数转换器［9］，免除了每增加一个比特位，就需要增加电极长度一倍的限制，其波导设计如图6所示。但是其Y分支波导　　图6　光学folding－flash模数转换器示意图的设计无疑将更加复杂。上述2种方法各有其限制，但其思想方法还是很值得我们借鉴的。总的说来，对第一代光学模数转换器的研究，在进入90年代以后，已基本趋于停滞。这里一方面是由于第一代光学模数转换器本身原理上的限制，另一方面也是由于电子模数转换器的进一步发展，其性能已经超过了第一代光学模数转换器所能达到的水平。
　　在90年代，人们面临着这样一种情况：一方面模数转换器仍然是许多系统性能进一步提高的瓶颈因素，另一方面电子模数转换器和第一代光学模数转换器的性能都不能满足要求。这迫使人们积极寻找新的模数转换器技术。这时的光通信技术的逐步成熟，以及其飞速发展，为人们发展光学模数转换器技术提供了新的思路。人们开始借鉴光通信中的时分复用、波分复用等方法，利用激光的高速率、时间精度高等特性来进行采样，利用光通信的复用器件，将采样后的信号并行化，以降低量化所需要的高速率。这些方案在器件上大多与电子技术相结合，利用电子模数转换器进行后期的量化处理。较早提出的是2种比较简单的方案，第一种是用采用时分复用的技术，利用锁模激光器的高重复率脉冲通过调制器对电信号进行采样，经过光开关进行光时分复用，将不同时序上的信号分配到不同的光路上，经过光电变换后，再经过电子模数转换器进行量化［10、11］（如图7）。第二种是采用多个激光器，通过精确控制各个不同激光脉冲的时序，让各个波长的激光脉冲依次对模拟信号进行采样，然后经过波分复用后，将不同波长的采样信号分配到不同的光路上，其后的处理同时分复用相同［12、13］（如图8）。这2种模数转换器都具有比第一代光学模数转换器更高的采样速和比特精度，但2种方案都需要复杂、精确的定时装置，这一点无疑提高了系统的复杂性。另外，时分复用方案的采样速率的提高还要依赖于光开关的速率的提高，波分复用方案的比特精度的提高是以增加激光器的数量为代价的，这些都是限制这2种方案性能提高的瓶颈因素。
　　在上述2种方案的基础上，人们继续开展研究，提出了一种基于光学延时的模数转换器，它吸收了上述2种方案的优点，又省去了复杂的定时电路。其中的一种实现方案如图9所示，它采用超连续（Supercontinnum）的宽光谱的EDFL光纤激光器（谱宽为几十纳米，脉冲宽度为亚皮秒，重复率为吉赫兹左右），经时一段光纤的传输后，首先经过一个偏振分束器（PBS），然后将偏振光通过一个WDM 器件，将其分成若干个波长，各个波长各自通过不同长度的保偏光纤后，由法拉第镜将各个波长的光反射回去，再次经过WDM和偏振分束器后，合成一路包含不同波长光的脉冲序列，通过一个调制器对射频信号进行采样，采样后的脉冲序列再经过另一个WDM器件，将其按波长分配到不同的光路上，实现了并行处理［14］。采用这种方案的一种器件做到了18 Gsps的采样速率和7 bit的采样精度［15］。
　　相对于国外光学模数转换器的飞速发展，国内在光学模数转换器领域的研究起步较晚，在80年代末期才开始这一方面的研究。上海交通大学应用物理系在90年代初期对Mach－Zehnder型集成光学模数转换器做了研究［16］，沈阳工业学院和中科院长春物理研究所合作在1994年研制了LiNbO3质子交换光波导Fabry－Perot型4位电光模数转换器［17］。目前国内尚未有对第二阶段的光学模数转换器进行研究。
四、光学模数转换器的应用
　　光学模数转换器在许多方面有着重要应用，目前对光学模数转换器的研究，主要集中在需要高速信息采集处理的系统中的应用上，其中最主要的应用是微波数字雷达。众所周知，现在的微波数字接收器要求将接收到的模拟信号经过几步的混频和滤波，以将信号频率降到电子模数转换器的基带范围内，这一过程不仅昂贵，而且又限制了系统的可靠性和瞬时带宽，同时也增加了系统的尺寸和重量。另外，每一次的混频过程，都会带来信号的失真，增加电磁干扰。如果能研制出一个高速、高动态范围的的模数转换器，使其能够直接对射频信号进行数字化，这样就会极大地改善数字接收器的性能。据《简氏国际防务评论》1998年6月报道：美国国防高级研究计划局计划在今后4年中在“光电模－数转换器技术”上花费约4 000万美元，其目的是提供能处理高达1 000 Gsps采样速率的装置。“光电模－数转换器”计划的目的是通过应用先进的光电部件（例如激光器、调制器、探测器以及微电子和光电子器件）来克服过去采用的电子电路的局限性。这将允许在军事系统感兴趣的整个频谱范围内在信号源处对信号进行直接的模－数转换，从而在以下几方面获得性能改进：改进数字波形成形以抑制干扰；具有较宽的动态范围以便探测杂波中的目标；具有较宽的瞬时带宽以便改进对目标的识别，例如，当采样速率达到1 000 Gsps时，可能会产生对毫米波信号进行直接宽带模－数转换的新能力。
五、结　语
　　光学模数转换器技术除了上述提到的主流技术外，还有着各种各样的非主流和辅助技术，如采用SEED的光学模数转换器［18］、采用声光热调制的光学模数转换器［19］和利用光学过采样技术（∑Δ技术）［20］以提高模数转换器的有效比特精度等等。这些技术的存在，一方面说明了光学模数转换技术还处于探索阶段，是一种还没有真正成熟的技术，另一方面也说明了光学模数转换器具有广阔的研究前景。从光学模数转换器的发展趋势来看，系统趋于复杂，要实现现采样速率超过100 Gsps的实用模数转换器还要依靠器件及材料上有新的突破。

欢迎光临电子技术论坛_中国专业的电子工程师学习交流社区-中电网技术论坛 (http://bbs.eccn.com/)