CN101211090B - 相位调制型的光学模/数转换器 - Google Patents

Abstract

相位调制型的光学模/数转换器属于高频模拟信号处理领域，其特征在于把相位调制器，保偏光分束器和光移相器阵列相级联，用保偏光纤分束器把相位调制器的输出分为N路，并且每一路又利用光移相器给两个偏振态附加上一个等差递增的相位差，再通过检偏器产生干涉，最终实现N路传输曲线的依次平移，再经过光电探测器阵列把干涉光强转化为N路电信号后用比较器阵列实现对模拟信号一次性采样结果的量化编码。本发明具有可集成性、稳定性好、实时性强、带宽可达几十吉赫兹的优点。

Description

相位调制型的光学模/数转换器

技术领域

属于电子信息学科，微波光子学领域，高频模拟信号处理范畴。

技术背景

模/数转换器(Analog-to-digital converter，ADC)，是对模拟信号进行采样和量化编码；以实现将模拟信号转换为数字信号作后续的传输或者数字处理。由于数字信号在传输性、抗干扰、保密性和处理速度等性能上比模拟信号，具有明显优势。因此数字系统，以及数字信号处理技术得到高速发展。而作为将自然界中或人为的各种模拟信号转变为数字信号的关键器件，模/数转化器的研究和发展异常重要。

随着技术发展，待数字化的模拟信号带宽逐渐增加，覆盖范围已从吉赫兹增至太赫兹波段，并且数字信号处理的速度同时也飞速发展。但电子模/数转换技术因电脉冲采样速率、脉冲间隔时间精度、响应带宽和有效量化比特位等方面受电路物理特性的限制，无法满足在实际中高速宽带模拟信号的模/数转换需求。如民用方面，超宽带技术(Ultra-wide BandwidthOperation)通信、软件无线电技术(Software Radio)，医疗成像和电子测量仪器等的需求；军事领域的相控阵雷达中对反射回信号电磁波的接受处理，太赫兹技术中太赫兹波的接收、卫星监控中的通讯等需求。此外电子设备又易受电磁干扰，系统发展越复杂，信号串扰恶化也随之加重，系统稳定性下降。相比之下，光学模/数转换技术依托成熟的光子技术和光纤光学技术可以突破电子模/数转换器在其采样速率和工作带宽上的瓶颈，提高抵御电磁干扰能力，可满足实际应用需求。

光学模/数转换技术最早由H.Taylor在上世纪七十年代提出(参考文献H.Taylor，“Anoptical analog-to-digital converter-Design and analysis，”IEEE J.Quantum Electron.，vol.15，no.4，pp.210-216，Apr.1979)，后经约三十年的基础技术发展现在已经成为国际研究的热点，其中较为成熟可行的方案大致有如下几种：

(1)解复用型ADC。解复用型又分时域解复用和频域解复用。前者用单色锁模激光脉冲串通过电光调制器来采样加载其上的模拟信号。得到的采样脉冲以一定数目，N个脉冲串为周期，分到N路光电探测器和电模/数转换器阵列上。每一周期的第n个脉冲，进入到第n路上；后者则以N个不同频率脉冲光为一周期进行采样，得到的脉冲经过阵列波导光栅(Array Waveguide Grating，AWG)后再分为N路作为N路光电探测器和电模/数转换器阵列的输入。而原始脉冲里第i个频率的脉冲就进入第i路。这种方法，实际中每个电模/数转换器工作在整个系统有效采样率的N分之一，却保证了高速稳定的采样率，又可以获得高量化比特位，并且理论上有效的工作带宽是每个电模/数转换器的N倍。但最大的缺陷是解复用后的N路的时间，信号损耗等方面的均衡管理比较复杂。

(2)时域展宽型ADC。利用电光调制器将模拟信号强度调制到一串中心频率线性增或减的光脉冲串上，则脉冲串包络与模拟信号强度一致。再用线性色散材料将该包络展宽L倍，用工作速率是有效采样率L分之一的电模/数转换器进行量化。该方案最大优点是可以获得极高的有效采样率，观测记录极短时间内的瞬态信号，但对连续信号的捕获和实时工作尚在研究和发展中。

(3)相位调制型ADC。此类ADC采样技术与前相同，但在量化编码阶段也完全利用光学手段。是基于电光强度或相位调制器，得到N路的光强随模拟信号电压的传输曲线来实现量化。根据N路传输曲线的关系，量化编码方式又有三种。第一种，如果N路传输曲线的周期依次递减，如Taylor方案中，利用N个电光调制器，其半波电压依次递减来实现；又如专利“一种集成光学M-Z结构模数转换器”(杨亚培，张谦述，戴基智，张晓霞，刘永智，公开号1635417)，则是对多个相同电光调制器加上电压依次倍增的同源模拟信号来实现。但这种方法如果N越大，对调制器要求就越高，而且多个调制器之间的各方面匹配关系也随之更加复杂。第二种，则是N个传输曲线都只有一个周期，但依次平移T/2N(参考文献J.Stigwall，S.Galt，“Demonstration and analysis of a 40 gigasample/s interferometricanalog-to-digital conversion”，IEEE Journal of Lightwave Technology，Vol.24，pp.1247-1256，Mar.2006)，这里T是传输曲线的周期。这样方法用一个调制器即可实现，成本底，结构简单。但编码效率较第一种低很多，N路理论上只能实现log2(2N)个量化比特位，

并且需要较多的光电探测器和比较器。第三种，则是将前两种情况混合形成类似于电模/数转换器中的流水线ADC，结合了前两者的特点，取长补短。

本方案是跟据上述相位调制型ADC中的第二种和所给文献，设计出了一种更为实际可行的光模/数转换器。图1给出文献中的量化原理(以N＝2为例)，可以看到有效的量化范围为两倍的半波电压，两路的平移两位传输曲线的四分之一。电压高于阈值时量化为“1”，低于该阈值时为量化为“0”，对应产生Gray码制的量化编码和对应数字值。

文献中同时提出一种利用光的两正交偏振态来代替马赫-曾德两干涉臂来产生上述传输曲线的方法。如图2所示。通过调节偏振控制器使得光脉冲的两个正交偏振态等幅的进入相位调制器，且分别平行于x和y轴。根据调制器特性，加载在其上的模拟电压将只线性调制其中一个偏振态光的相位，即两个偏振态的相位差。在输出端，当两正交偏振态的光通过一检偏方向45度于两偏振态方向后，得到输出光强I

$I=I_0{\sin }^2(\frac{\mathrm{\π}}{2}\·\frac{V}{V_{\mathrm{\λ}/2}})---\left(1\right)$

其中I₀是透过光强峰值，V是模拟信号电压，V_λ/2是相位调制器的半波电压。

本发明就是在该量化理论和实现传输曲线方法的基础上基于相位调制器和光移相器的一种新型且更实际的光学模/数转换器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、低成本、性能稳定的光模/数转换器，用以实现高速宽带模拟信号的模/数转换，并有适中的量化比特位。本发明的特征在于含有：第一偏振控制器、相位调制器、保偏光分束器、光移相器阵列，第二偏振控制器和检偏器阵列、光电探测器阵列和比较器阵列，如图3，其中：

第一偏振控制器，输入为用光纤传输的光脉冲序列，输出为偏振态受到调节的光脉冲序列。其中，光脉冲的两正交偏振态各自平行于所述相位调制器中铌酸锂晶体的x轴和y轴；

相位调制器，输入是所述第一偏振控制器输出的光脉冲序列，在该相位调制器只调节其中一个光偏振态的相位后，便输出所述两正交偏振态相位差受到该相位调制器上所加的一个模拟信号电压强度线性调制的光脉冲序列；

保偏光分束器，输入是所述相位调制器输出的光脉冲序列，该保偏光分束器把输入信号保偏后均分为N路输出；

光移相器阵列，共有N个移相器，每一个输入是对应保偏光分束器的一个输出，每一个移相器给对应的通路光的两个正交偏振态上加上一个附加相位差(T是光脉冲周期)，且随着路数N的增加，第i路以

为单位递增，第i路的附加相位差为

但输出依然是脉冲序列，光脉冲中两正交偏振态的相位差是电压模拟信号调制得到的相位差和所述第i路光移相器附加相位差的叠加。

第二偏振控制器和检偏器阵列，也有N组，每组输入是所述光移相器的输出，其中第二偏振控制器使得每路光脉冲的两个正交偏振态都与检偏器的检偏方向成45度角，而检偏器使得光脉冲中的两个正交偏振态通过其后发生干涉，从而第i路第二偏振控制器和检偏器的输出为干涉后的光强I_i：

其中I₀是透过光强峰值，V是电压模拟信号，V_λ/2是相位调制器的半波电压，λ是波长。

光电探测器阵列，有N组，输入是所述检偏器输出的光脉冲，该光电探测器阵列把N路干涉光强转化为N路电信号再输出；

比较器阵列，有N组，输入是光电探测器输出的各路电信号，并根据设定的0.5倍归一化光强的阈值判定其为“0”或者“1”，实现对电压模拟信号的一次采样信号的量化编码；

在所述相位调制型光学模/数转换器中，光移相器阵列是各路长度依次以Δl为单位递增的N路保偏双折射光纤，

共有N路，其中B是保偏双折射光纤的拍长。

所述的光移相器阵列是N路长度相同并都缠绕一段在相同压电陶瓷上的保偏双折射光纤，压电陶瓷上所加电压以ΔV为单位递增，用以实现各路光纤长度Δl的递增，ΔV＝TBk/2Nπ，k是光纤被拉长1米所需加的电压，是设定值。

所述的光移相器阵列，是N路铺设电极的铌酸锂晶体波导，每个铌酸锂波导和所铺设的电极的相对关系满足铌酸锂晶体z向通光，外电场方向沿该晶体x或y方向，每路铌酸锂晶体长度L和所加可调直流电压V的乘积按照V·L为单位递增，

其中λ₀是所用光在真空中的波长，n₀是铌酸锂晶体在x方向和y方向上的折射率，d是电极间距，r₂₂是铌酸锂晶体的一个电光系数，在室温下，r₂₂＝3.4×10^-12m/V。

本发明的核心是将相位调制器，保偏光分束器和光移相器阵列级联在一起，用保偏光分束器将相位调制器的输出分为N路，并且每路又利用光移相器给两偏振态附加上一个等差递增的相位差，再通过检偏器产生干涉最终实现N路传输曲线的依次平移。同时在具体实施方案里再给出具体实现光移相器阵列的方法。发明具有以下优点，首先整个设计可以是基于光纤器件的，结构简单；也可根据现有成熟的集成光学技术将其集成化；第二，对于每一通路而言，由于最后干涉的两个偏振态的光脉冲经过同一路径，可以相互抵消一定的环境对它们的负面影响，从而提高稳定性；第三，由于所有器件均为实时响应型，系统工作是可以对连续的模拟信号进行实时的模/数转换；第四，系统带宽限制主要由相位调制器和后续的比较器判决电路决定，就前者而言，根据现有商用产品本发明的工作带宽，可以达到几十吉赫兹。

实验中用一套光移相器、偏振控制器、检偏器和光电探测器来进行原理论证性实验；而非对应的阵列，但只要根据需要调节光移相器即可模拟多路多阵列时的输出情况。模拟信号选用的是点频的2.2GHz正弦信号，根据图4可知理论上的输出结果。光源分别采用脉冲光源和连续光源得到的输出情况如图5和图6所示，图5在N＝8时将各路输出并列放置，图6在N＝16时将各路输出叠加放置。比较图6和图4可知，实验和理论结果符合很好。其中由图6及数据软件采样、判决编码后恢复出的正弦信号如图7，获得的信噪比约为26dB，等价得到有效比特位为4比特。

附图说明

图1是本发明的所基于的模/数转换量化编码原理图，以N取为2为例。其中两条曲线就为传输曲线，实线代表通路1，虚线代表通路2，相互平移T/2N，及T/4。根据量化编码的特性，可看出模拟信号的量化范围为两倍的半波电压。

图2是利用光的两正交偏振态来代替马赫-曾德两干涉臂来产生上述传输曲线的方法的示意图。

图3是本发明的系统框图。

图4是当模拟信号是点频的正弦信号，系统的理论输出。为方便起见，这里N取为4，其中实线代表通路1，虚线代表通路2，点线代表通路3，点划线代表通路4。

图5是系统中光源为脉冲光时，模拟信号为点频正弦信号，N取为8时的输出。8路输出并列放置。

图6是系统中光源为连续光时，模拟信号为点频正弦信号，N取为16时的输出。16路输出为方便与理论曲线比较被重叠放置。

图7是根据实验结果图6，采用软件采样和判决，得到的恢复信号。其中的点为对应采样点的量化后数字值，曲线为根据所有点做正弦拟和得到的恢复模拟信号。

具体实施方式

参照图3系统框图，采样光脉冲经过一个偏振控制器，调节光纤中脉冲的两正交偏振态各自平行与相位调制器中铌酸锂晶体的x和y轴，保证相位调制器只调节其中一个光偏振态的相位，实现两个偏振态光的相位差受到所加载在相位调制器上的模拟信号电压强度的线性调制，也就是光脉冲对模拟信号的采样，将模拟信号电压信息转载到光脉冲两偏振态的相位差上。而后光脉冲经过保偏光分束器分为N路，各路再经过光移相器阵列，使得各路的光脉冲两偏振态相位差被附加上一个依次以T/2N为单位递增的附加相位差。

本发明中的光移相器阵列的具体实现有以下几种方法：

用长度依次以Δl为单位递增的N路保偏双折射光纤实现。即第i路光纤长度比第i-1路要长Δl，

其中B是保偏双折射光纤的拍长。由于双折射存在，当正交的两偏振太分别沿光纤快慢轴传输时，会产生自然的随光纤长度线性变化的相位差，而当光纤长度等差递增时，这个附加的相位差也就随之等差递增。因为光纤的双折射差很小10^-6～10^-4，拍长可从10^-2～1m，精度要求可以满足实际应用。实际上任何低损耗、具有自然双折射的晶体，或波导都可代替保偏双折射光纤，使系统也更易于集成。

用N路长度相同并都缠绕一段在相同压电陶瓷上的保偏双折射光纤实现。压电陶瓷上所加电压以ΔV为单位递增，用以实现各路光纤长度Δl的递增。即第i路上压电陶瓷所加电压比i-1路上的要高ΔV。

其中k是根据压电陶瓷本身物理特性和光纤缠绕方式确定出的光纤被拉长1米所需加的电压，单位为V/m。

用N路铺设电极的铌酸锂波导实现。每个铌酸锂和所铺设的电极的相对关系满足晶体z向通过，外电场方向沿晶体x或者y方向。保证加了电压后，通过波导的两正交偏振态被调制上一额外的相位差

这里所加电压为可调直流电压，没有带宽要求，更容易加工。

λ₀是所用光在真空中的波长，n₀是铌酸锂x和y方向上的折射率，r₂₂是铌酸锂的一个光电系数，V是所加电压，d是电极间距，L是铌酸锂波导长度。假设铌酸锂材料确定，电极铺设间距确定，则从式(5)可知只要每路铌酸锂长度L和所加可调直流电压值V的乘积按照

$\mathrm{VL}=\frac{T{\mathrm{\λ}}_{0}d}{4\mathrm{\πN}{n}_0^3{r}_{22}}---\left(6\right)$ 为单位递增即可。

这样一来，就可以把相位调制器，保偏光分束器和光移相器阵列全部集成在一个衬底上，用铌酸锂波导来实现三者的级联和集成。

当N路采样脉冲输出光移相器阵列后，再经过一个偏振控制器和检偏器阵列，使得各路光的两个正交偏振态方向和对应检偏器检偏方向成45度，保证检偏后每路光的两个偏振态发生得到明显的干涉。之后经由光电探测器，最终可以得到N路如图1中的传输特性曲线，用来量化模拟信号。再根据比较器阵列得到一列“0”，“1”组合，就为对应模拟信号在对应被采样时刻电压值的数字编码，实现了一次模拟信号的模/数转换。

Claims (3)

1.相位调制型的光学模/数转换器，其特征在于含有：第一偏振控制器、相位调制器、保偏光分束器、光移相器阵列，第二偏振控制器和检偏器阵列、光电探测器阵列和比较器阵列，其中：

第一偏振控制器，输入为用光纤传输的光脉冲序列，输出为偏振态受到调节的光脉冲序列。其中，光脉冲的两正交偏振态各自平行于所述相位调制器中铌酸锂晶体的x轴和y轴；

相位调制器，输入是所述第一偏振控制器输出的光脉冲序列，在该相位调制器只调节其中一个光偏振态的相位后，便输出所述两正交偏振态相位差受到该相位调制器上所加的一个模拟信号电压强度线性调制的光脉冲序列；

保偏光分束器，输入是所述相位调制器输出的光脉冲序列，该保偏光分束器把输入信号保偏后均分为N路输出；

光移相器阵列，共有N个移相器，每一个输入是对应保偏光分束器的一个输出，每一个移相器给对应的通路光的两个正交偏振态上加上一个附加相位差T是光脉冲周期，且随着路数N的增加，第i路以

为单位递增，第i路的附加相位差为

但输出依然是脉冲序列，光脉冲中两正交偏振态的相位差是电压模拟信号调制得到的相位差和所述第i路光移相器附加相位差的叠加；

第二偏振控制器和检偏器阵列，也有N组，每组输入是所述光移相器的输出，其中第二偏振控制器使得每路光脉冲的两个正交偏振态都与检偏器的检偏方向成45度角，而检偏器使得光脉冲中的两个正交偏振态通过其后发生干涉，从而第i路第二偏振控制器和检偏器的输出为干涉后的光强I_i：

其中I₀是透过光强峰值，V是电压模拟信号，V_λ/2是相位调制器的半波电压，λ是波长；

光电探测器阵列，有N组，输入是所述检偏器输出的光脉冲，该光电探测器阵列把N路干涉光强转化为N路电信号再输出；

比较器阵列，有N组，输入是光电探测器输出的各路电信号，并根据设定的0.5倍归一化光强的阈值判定其为“0”或者“1”，实现对电压模拟信号的一次采样信号的量化编码；在所述相位调制型光学模/数转换器中，光移相器阵列是各路长度依次以Δl为单位递增的N路保偏双折射光纤，共有N路，其中B是保偏双折射光纤的拍长。

2.根据权利要求1所述的相位调制型光学模/数转换器，其特征在于，所述的光移相器阵列是N路长度相同并都缠绕一段在相同压电陶瓷上的保偏双折射光纤，压电陶瓷上所加电压以ΔV为单位递增，用以实现各路光纤长度Δl的递增，ΔV＝TBk/(2Nπ)，k是光纤被拉长1米所需加的电压，是设定值。

3.根据权利要求1所述的相位调制型光学模/数转换器，其特征在于，所述的光移相器阵列，是N路铺设电极的铌酸锂晶体波导，每个铌酸锂波导和所铺设的电极的相对关系满足铌酸锂晶体z向通光，外电场方向沿该晶体x或y方向，每路铌酸锂晶体长度L和所加可调直流电压V的乘积按照V·L为单位递增，

其中λ₀是所用光在真空中的波长，n₀是铌酸锂晶体在x方向和y方向上的折射率，d是电极间距，r₂₂是铌酸锂晶体的一个电光系数，在室温下，r₂₂＝3.4×10^-12m/V。

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