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摘 要：模数转换器（ADC）是许多信息处理系统的关键组成部分。由于电子模数转换器的缓慢进展，使其成为模拟信号和数字处理系统之间的瓶颈因素，这促使人们对采用光学技术提高模数转换器的采样速率和精度产生了兴趣。本文详细阐述了光学模数转换器（OADC）的原理及发展，对其应用及未来的发展进行了探讨。
关键词：光学模数转换器；光波导；波分复用；技术指标
一、引 言
当今世界是一个高度数字化的世界，系统设计者们越来越倾向于将所有的处理过程数字化，这是由于数字技术的诸多吸引人之处，如：速度快、灵活性大、系列化、可靠性高等。这样一来，模数转换器作为将现实的模拟世界和数字化的世界联系起来的桥梁，其作用越来越重要，对其性能的要求也越来越高。
高性能的模数转换器是模拟传感器（例如雷达、通信设备和电子战设备）和数字信号处理系统之间联系的必不可少的环节。近年来，一方面，随着电子计算机的普及应用及检测自动化程度的不断提高，对模数转换器的性能（比特精度、采样速率等）提出了更高的要求。宽带雷达、电子侦察、电子对抗、核武器监控、扩频通信等信号处理系统都要求Gsps以上的高转换速率。例如：一个相位阵列天线，理想情况下需要上百个乃至上千个低功耗模数转换器，典型情况下，每一个要求 100 MHz带宽和16 bit精度。尽管这些器件可能仅占整个系统的很小一部分，却可能是影响整个系统性能的瓶颈因素［5］。另一方面，并行计算结构及其技术的发展，产生了具有100GHz浮点运算能力的数字处理器，但由于ADC性能的限制而使其不能被充分利用。如果能得到采样速率在10～100 Gsps的模数转换器，不但可以改善现有系统的性能，而且将具有新的应用前景。
目前，模数转换器从采用的技术上来说主要有3种：电子半导体模数转换器、超导材料模数转换器和光学模数转换器（OADC）。超导材料由于需要低温条件，在很大程度上限制它的应用领域。目前，应用最为广泛的是电子模数转换器，它具有适用范围广泛、制造技术成熟、成本较低等诸多优点。但在高性能模数转换器领域，它存在着先天的不足。当采样速率大于2 Msps时，由于受孔径抖动的影响，而导致的采样时间具有不确定性。其变化趋势是，当采样速率每增加一倍，其比特精度就大约下降1 bit。在过去的近10年时间中，在给定采样速率下，电子模数转换器的比特精度的提高平均只有1．5个比特。目前，电子模数转换器可以达到的最快采样速率为8 Gsps，精度为3 bit；在8 bit精度下，可以达到4 Gsps的采样速率。但这已经基本接近其理论的极限，即使采样速率可以再提高，但其相应的比特精度也会相应的下降［1］。因此，要达到实际应用的要求，即在10 Gsps以上的采样速率，并且具有合适的比特精度（4 bit以上），就必须寻求新的突破。采用光学模数转换器技术，已经成为高转换速率、高比特精度模数转换器的发展趋势。
二、光学模数转换器的主要技术指标
光学模数转换器和其它的模数转换器一样，其主要技术指标包括：标定精度（Stated Resolution，以编码后的二进制数字的位数N表示，通常以比特数来代表）、采样速率（以每秒采样次数表示，samples／s或sps）、信噪比（SNR）、无寄生动态范围（SFDR，即Spu－rious－free Dynamic Range）和功率消耗（Pdiss）等，其中标定精度和采样速率是其主要的性能指标。模数转换器的另一个常用技术指标为有效比特精度（Neff），有效比特精度是指在输出的标定精度的比特位中，又多少位是实际有效的，它可以用信噪比表示，其转换关系为
三、光学模数转换器的研究进展
光学模数转换技术最初由S.Wright[2]等人于1974年提出,其后在采用的技术上先后形成了2人主流的研究阶段，一个是70年代中后期到80年代中期，主要采用集成光学技术，其主要的器件形式为LiNbO3波导Mach－Zehnder干涉仪阵列、平衡桥式调制器和通道光波导Fabry－Perot调制器阵列3种形式。二是从90年代初开始的，通过借鉴光通信的时分复用和波分复用的技术方案，开始采用光电混合方式的时分或波分方式的模数转换器，通过并行处理的方式来降低所需要的采样速率。
Wright提出的光学模数转换器是将模拟信号电压V加在建立在电光材料衬底上的叉指（Interdigi－tal）电极上，对通过衬底的激光束的波前进行空间周期相位调制，结果在远场得到不同衍射级。通过调节零阶和一阶阈值，可以得到2 bit格林码输出，并可以通过应用第三个比较器，将符号位包括进去。这一方案同其后的各个方案相比，无疑是粗鄙的，但它开创了光学模数转换器的先河，其提出的采用电光调制器、光探测器等原则在今天仍是适用的。
真正对光学模数转换器的发展产生广泛影响的是Taylor在1975年提出的采用集成光学的Mach－Zehnder干涉仪阵列的模数转换器［3］，如图1所示。
它采用若干集成的马赫－曾德尔干涉仪组成阵列，要被数字化的模拟电压V同时加在每一个调制器的电极上，电极的长度Ln按二进制序列（2n）变化。当输入强度为I0的激光通过其中一个调制器时，由两臂合成的输出光强In由于干涉而发生变化，其变化可以表示为
式中 ψn为由于外加电压V引起的两臂之间的附加光相位差；
ψn为两臂不对称所致两臂之间的静态相位差。
各个调制器的输出光强被光电探测器接收后，经过与相同的阈值电压比较，将光强值量化为二进制数码“0”或“1”。可采用的另一种方式是稍微改变比较器阵列的设计，包括对一些调制器设定固定的相位，以产生格雷码格式的输出，其输出形式如图2所示。之所以要选择格雷码，是因为其在每一个量化级上仅产生一位比特码的变化，不象移位二进制码，在一些特定的量化级有多个比特位的变化。
式（2）中的φn可以表示为
而最低有效位的电极长度），这样当比特位增加时，半波电压很快就减少到工艺水平所能达到的程度，这也是限制光学模数转换器比特精度提高的一个主要方面。
Tayler的方案形式简单，可以直接产生格雷码输出，并且所有器件原则上可以集成到一个芯片上。采用该方案的其中一种器件做到了1 GHz的采样速率、4 bit码转换，有500 MHz的信号带宽［4］。但是对这种方案的一个基本的限制是每增加一个比特需要比最低有效位的调制器电极的长度增加一倍。以LiNbO3为例，当其有效位为6 bit时，渡越时间的限制使其采样数率大约为1 GHz［5］。并且随着比特数的增加，Y分路器也相应增加，这样将导致总的插入损耗增大，同样也限制了比特精度的提高。
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