CN101630106A - 一种级联结构的LiNbO3波导电光模数转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于级联LiNbO₃波导M－Z强度调制器阵列的电光模数转换方法，它是通过设置级联M－Z强度调制器阵列中的M－Z强度调制器个数和直流偏置，从而获得对应位的输出光强函数；在级联M－Z强度调制器阵列的各个M－Z调制器上施加相同的调制信号电压，对采样光脉冲进行强度调制，从而获得调制信号的光采样；通过光阈值的设置来获得采样光脉冲的相位编码，再经光电转换和比较获得该相位编码，从而实现电光模数转换。本发明提出的级联LiNbO₃波导M－Z强度调制器阵列电光模数转换方法，通过增加级联的强度调制器阵列的个数来提高模数转换的精度，克服了泰勒方案对采样精度的限制，这种限制主要是由于调制器电极长度随位数增加指数增长而导致的。另一方面，又继承了光采样的高采样速率的特点，因而具有高采样精度和高采样速率的特点。

Description

一种级联结构的LiNbO3波导电光模数转换方法

技术领域

本发明属于光电子技术领域和集成光波导器件领域，他特别涉及到级联结构的LiNbO₃波导电光模数转换方法的研究。

背景技术

模数转换器(ADC)是一种将模拟信号转换为数字信号的器件。模数转换过程一般分为取样、保持、量化、编码四个步骤。采样速率和分辨率是衡量模数转换器(ADC)的性能两个最重要的参数。

一般衡量模数转换器(ADC)的性能主要是由采样速率和分辨率这两个最重要的参数决定的。采样速率主要由A/D转换器的采样时间决定，常用单位是KS/s和MS/s。分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示，位数越高分辨率越大。模数转换器作为连接模拟与数字世界的桥梁，在高速信号处理领域，尤其是在宽带雷达、电子侦探、电子对抗、核武器监控、扩频通信等信息处理系统中都要求达到GS/s以上高转换速率和高比特的转换精度。

现在，模数转换器从技术上可以分为三种，即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。超导材料模数转换器对环境要求高，需要超低温工作环境，因此使用范围受到限制。对于目前广泛使用的电子模数转换器，由于载流子迁移率有限，因而难以获得数十GS/s的采样速率和高的有效精度。近年来的高速的电子ADC产品，其性能均低于10GS/s，10bits(见文献R.H.Walden，Analog-to-digital converter survey and analysis，J.Select.Areas Commun.，Vol.17，539-550(1999))，很难满足微波信号数字化的电子要求，成为限制高速信号处理领域的瓶颈。因此，要实现对高速信号的模数转换，就必须寻求新的突破。

基于上述理由，引入了光学模数转换技术以及如今的光电混合方式的模数转换技术。光电模数转换器一般分为光时分复用ADC、光波分复用ADC、时域展宽电光ADC以及相位编码ADC。

光时分复用ADC，利用光时分复用OTDM技术使不同时序的采样光脉冲解复用，分别进入平行的多个量化通道，每个量化通道中用一个低速的电ADC进行模数转换，这样既可以降低对电ADC的要求同时也保证了高的量化精度。2001年P.Joudawl ki s及J.C.Twi chell采用此方法，应用8个63MS/s，14bits的电ADC获得总体505MS/s，8.2bits的效果。(见文献Paul.W.Juodawlkis，J.C.Twichell，etc.Optically sampled analog-to-digital converter J.IEEETransactionson microwave theory and techniques，2001，vol.49(10)：1840-1852)

光波分复用ADC，利用波分复用OWDM技术，其思路同光时分复用ADC基本一致，不同的是将N个波长的采样光脉冲安排在不同的时序上，被调制的光脉冲序列经光波分解复用后分成N路波长通道，再经过电检测、量化输出。1999年A.S.Bhushan及F.Coppinge等人采用宽光谱光源及光线色散来产生连续的光载波，经过RF信号调制后用带有延时反馈AWG选出N个不同波长的已采样光脉冲安排在不同时序和不同的通道中，构成了波分复用电光ADC(见文献A.S.Bhushan，F.Coppinger and B.jalali.Nondispersive wavelength-division samplingJ.optics letters，1999，vol.24，(11)：738-740)

脉冲时域展宽ADC，针对高频率模拟信号，在信号调制到采样光脉冲上后，利用色散元件将光脉冲在时域上展宽，然后利用OTDM或者OWDM技术量化。这样可以降低对电ADC采样速率的要求，使整个系统的采样频率提高N倍。1998年A.S.Bhushan及F.Coppinger等人利用此技术结合波分复用使电光ADC采样速率进一步提高到150GS/s。(见文献A.S.Bhushan，F.Coppinger and B.jalali.150G samples/s wavelength division sampler withtime-stretched output J.Electron.Lett，1998，vol.34，(5)：474-475)

相位调制ADC有别于前三个系统，它是直接在光学领域将调制信号量化，省去了定时同步的麻烦。突出的优点在于可以用集成光波导器件(如M-Z结构和F-P结构的集成光波导调制器)在光学领域完成调制信号的量化，更利于系统小型化、器件化。

相位调制ADC是利用光通过电光晶体的相位改变与调制电压V_in的线性关系，通过检测光信号的相位变化量来量化调制电压V_in。此方法是由泰勒1975年提出的利用调制电压V_in与光信号相位改变量的线性关系，发展了相位编码光采样技术直接将信号在光域中量化。

但是，泰勒方案在提高转化精度上受到器件参数的限制，它要求强度调制器电极长度随位数指数增加，因此采用泰勒方案设计一个5bit光电模数转化器需要电极长度达到基本长度的16倍，使得采用泰勒方案设计高精度的电光模数转换器十分困难。同时，由于电极长度的指数增加也使得光脉冲的渡越时间延长，从而限制了最高调制信号的频率。

总之，目前模数转换器的发展方向就是提高转换精度的同时提高采样速率，而目前电子ADC已经跟不上高速的数字信号处理的发展速度，因此需要发展光电ADC，同时克服光电ADC对于器件要求复杂和难以小型化的困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种级联结构的LiNbO₃波导电光模数转换方法，它具有高的采样速率和精度，同时又克服了泰勒方案对采样精度的限制。

为了方便地描述本发明的内容，首先做术语定义：

定义1级联M-Z强度调制器的输出光强函数

Mach-Zehnder(M-Z)强度调制器的工作过程是：输入光波经一个Y分支器3dB分束后输入两个直波导，通过在电光效应作用下的两个直波导传输后，再经3dB合束器输出。单个两臂对称的LiNbO₃波导M-Z强度调制器，在调制电压V_in的作用下，由于电光效应改变了波导折射率，使输入光波在M-Z强度调制器两臂中传输产生相位差为

其中，V_in是外加信号电压，V_π为调制器的半波电压，L为调制电极长度，G为调制电极与接地电极间距，n_e为非寻常光折射率，γ₃₃是电光系数，γ₃₃＝30.8pm/V。

因此，在不考虑损耗的情况下，LiNbO₃波导M-Z强度调制器的输出光强随调制电压变化关系如下(见教材：姚建铨，于意仲等，光电子技术，高等教育出版社2006.5，P294-295)：

根据单个M-Z强度调制器的输出来确定n个M-Z强度调制器级联输出。将两个M-Z强度调制器进行级联，级联方式如图1所示。输入光波经过第一个M-Z强度调制器后输出光强表达式为

$I_1=I_0{\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}\right)---\left(3\right)$

将第一个M-Z强度调制器的输出光作为第二个M-Z强度调制器的输入，在相同调制电压V_in的调制下，其输出光强为

$I_2=I_1{\cos }^2\left(\frac{{\mathrm{\πV}}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}\right)=I_0{\cos }^4\left(\frac{{\mathrm{\πV}}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}\right)---\left(4\right)$

同理，在相同调制电压V_in的作用下，n个级联的M-Z强度调制器的输出光强为

$I_n=I_0{\cos }^{2n}\left(\frac{{\mathrm{\πV}}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}\right)---\left(5\right)$

其中，I₀表示激光器输入光强的幅值。

定义2半波电压

使M-Z强度调制器两臂上的光波产生相位差

所需的电压称为“半波电压”，记为V_π。当调制电压为V_π时，由(3)式可知M-Z强度调制器的输出光强度为极小值；并且，当外加电压每变化一个V_π，被调制的光强I发生一次从极小到极大的变化。

定义3格雷码

格雷码是一种绝对编码方式，典型格雷码是一种具有反射特性和循环特性的单步自补码。它的循环、单步特性消除了随机取数时出现重大误差的可能，它的反射、自补特性使得求反非常方便。格雷码属于可靠性编码，是一种错误最小化的编码方式。(见教材：赵宏波，卜益民，陈凤娟，现代通信技术概论，北京邮电大学出版社2003.8，P31)

本发明提供了一种级联结构的LiNbO₃波导电光模数转换方法，其特征包括以下几个步骤：

步骤1器件的选择

本发明提出的级联结构的LiNbO₃波导电光模数转换方法中使用到的M-Z强度调制器的半波电压均一致，为V_π(见定义二)。本发明使用的Y分支器均为3dB分束。结构示意图如图2所示。

步骤2第一位的参数设置及光强输出

步骤2a从锁模激光器发出的采样光脉冲经过Y分支器平均分为两路后，其中第一路光进入本级M-Z强度调制器，被M-Z强度调制器强度调制后，其输出光强作为电光模数转换的第一位输出；第二路光作为第二位的输入，直接进入第二级M-Z强度调制器阵列。

步骤2b本级M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为V_b1＝-0.5V_π，根据(3)式(见定义一)，得到电光模数转换的第一位的输出光强：

$I_1=I_o{\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}-\frac{\mathrm{\π}}{4})---\left(6\right)$

步骤3第二位的参数设置及光强输出

步骤3a步骤2a中经过Y分支器分出的第二路光进入第二级的M-Z强度调制器进行强度调制后，输出的光再经Y分支器平均分为两路，其中第一路光作为电光模数转换的第二位输出；第二路光作为第三位的输入。

步骤3b第二级M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为V_b2＝0，根据(3)式(见定义一)，得到电光模数转换的第二位的输出光强：

$I_2=I_o{\cos }^2\left(\frac{{\mathrm{\πV}}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}\right)---\left(7\right)$

步骤4第三位的参数设置及光强输出

步骤4a把步骤3a中经过Y分支器分出的第二路光用光放大器放大4倍后，进入第三级M-Z强度调制器进行强度调制。

步骤4b第三级M-Z强度调制器输出的光再经Y分支器平均分为两路，其中第一路光作为电光模数转换的第三位输出；第二路光作为第四位的输入。

步骤4c第三级M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为V_b3＝V_π，根据定义一，得到电光模数转换的第三位的输出光强：

$I_3=4I_2{\cos }^2(\frac{{\mathrm{\πV}}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}+\frac{\mathrm{\π}}{2})=I_o{\sin }^2(2\·\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}})---\left(8\right)$

步骤5第四位的参数设置及光强输出

步骤5a使用两个M-Z强度调制器级联构成第四级M-Z强度调制器阵列。

步骤5b把步骤4a中经过Y分支器分出的第二路光用光放大器放大16倍后，进入第四级M-Z强度调制器阵列进行强度调制。

步骤5c第四级M-Z强度调制器阵列输出的光再经Y分支器平均分为两路，其中第一路光作为电光模数转换的第四位输出；第二路光作为第五位的输入。

步骤5d第四级M-Z强度调制器阵列中的第一个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为V_b41＝-0.5V_π；第二个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为V_b42＝0.5V_π。根据定义一，得到电光模数转换的第四位的输出光强

$I_4=16I_3{\cos }^2(\frac{{\mathrm{\πV}}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}-\frac{\mathrm{\π}}{4}){\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}+\frac{\mathrm{\π}}{4})=I_o{\sin }^2(4\·\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}})---\left(9\right)$

步骤6第五位的参数设置及光强输出

步骤6a使用四个M-Z强度调制器级联构成第五级M-Z强度调制器阵列。

步骤6b把步骤5a中经过Y分支器分出的第二路光用光放大器放大256倍后，进入第五级M-Z强度调制器阵列进行强度调制。

步骤6c第五级M-Z强度调制器阵列输出的光再经Y分支器平均分为两路，其中第一路光作为电光模数转换的第五位输出；第二路光作为第六位的输入。

步骤6d第五级M-Z强度调制器阵列中的第一个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为V_b51＝0.25V_π；第二个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为V_b52＝-0.25V_π；第三个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为V_b53＝0.75V_π；第四个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为V_b54＝-0.75V_π。根据定义一，得到电光模数转换的第五位的输出光强

$I_5=256I_4{\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}+\frac{\mathrm{\π}}{8}){\cos }^2(\frac{{\mathrm{\πV}}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}-\frac{\mathrm{\π}}{8}){\cos }^2(\frac{{\mathrm{\πV}}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}+\frac{3\mathrm{\π}}{8}){\cos }^2(\frac{{\mathrm{\πV}}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}-\frac{3\mathrm{\π}}{8})---\left(10\right)$

$=I_o{\sin }^2(8\·\frac{{\mathrm{\πV}}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}})$

步骤7第n(n＞3)位的参数设置及光强输出

步骤7a使用2^n-3个M-Z强度调制器级联构成第n级M-Z强度调制器阵列。

步骤7b把第n-1级Y分支器分出的第二路光用光放大器放大

倍后，进入第n级M-Z强度调制器阵列进行强度调制，其输出光强作为电光模数转换的第n位输出。

步骤7c第n级M-Z强度调制器阵列中使用2^n-3个M-Z强度调制器，第m个M-Z强度调制器的输入直流偏置电压为：

$V_{\mathrm{bnm}}=\frac{{\mathrm{pV}}_{\mathrm{\π}}}{2^{n-3}}---\left(11\right)$

其中，m表示第n级M-Z强度调制器阵列中的第m个M-Z强度调制器m＝1，2，3，……，2^n-3，p取±1，±3，±5，……，±(2^n-3-1)中的任意一个，且不能重复。

根据定义一，得到电光模数转换的第n位的输出光强

$I_n=2^{2^{n-2}}{I}_{n-1}{\cos }^2(\frac{{\mathrm{\πV}}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}+\frac{\mathrm{\π}}{2^{n-2}}){\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}-\frac{\mathrm{\π}}{2^{n-2}}){\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}+\frac{3\mathrm{\π}}{2^{n-2}}){\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}\frac{3\mathrm{\π}}{2^{n-2}}\right)$

$\·\·\·{\cos }^2[\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}+\frac{(2^{n-3}-1)\mathrm{\π}}{2^{n-2}}]{\cos }^2[\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}-\frac{(2^{n-3}-1)\mathrm{\π}}{2^{n-2}}]---\left(12\right)$

$=I_0{\sin }^2(2^{n-2}\·\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}})$

步骤8数字信号输出

步骤8a根据步骤2b、步骤3b、步骤4c、步骤5d、步骤6d和步骤7c得到n bit的LiNbO₃波导电光模数转换对应位的输出光强函数。

步骤8b将光阈值设置为光脉冲强度的1/2，与步骤2b、步骤3b、步骤4c、步骤5d、步骤6d和步骤7c得到的各位输出光强进行比较，得到nbit的光采样的相位编码。

步骤8c把电子比较器的门限电压设为与光脉冲强度的1/2对应的电压值；把由步骤2b、步骤3b、步骤4c、步骤5d、步骤6d、步骤7c得到的输出光强经光电转换为电压信号，与比较器门限电压比较，得到对应的数字信号输出，从而完成nbit的模数转换，输出码型为格雷码(见定义三)。

经过以上步骤就完成了基于M-Z强度调制器级联的LiNbO₃波导电光模数转换，对应的结构示意图如图2所示。

本发明提出的级联结构的LiNbO₃波导电光模数转换方法的工作过程是(如图3所示)：高速的锁模激光器产生的高重频的、强度稳定的光脉冲作为采样光脉冲；经过Y分支器分束后，采样光脉冲分别进入由级联M-Z强度调制器阵列组成的采样器，利用级联M-Z强度调制器阵列的电光调制作用，获得电压信号的光采样；光采样信号经光电转换变为电压采样信号后，输入比较器与门限电压比较，比较器就输出与输入模拟电压相应的数字编码，从而完成电光模数转换。

本发明的实质就是通过设置M-Z强度调制器阵列中级联的M-Z强度调制器个数和直流偏置，从而获得对应位的输出光强函数；通过多个级联M-Z强度调制器阵列的配合和光阈值的设置得到电光模数转换的相位编码，从而在光域内完成了光采样的相位编码；再经光电转换，比较获得该相位编码，从而实现电光模数转换。

本发明的优点或积极的效果：

本发明提出的级联结构的LiNbO₃波导M-Z强度调制器阵列电光模数转换方法，通过增加级联的强度调制器阵列的个数来提高模数转换的精度，克服了泰勒方案调制器电极长度随位数增加指数增长对采样精度的限制，另一方面，又继承了光采样的高采样速率的特点，因而具有高采样精度和高采样速率的特点。

附图说明

图1是两个M-Z强度调制器级联示意图。

图2是n位级联结构的LiNbO₃波导电光模数转换结构示意图。

其中，1是Y分支器，2是M-Z强度调制器，3是4倍光放大器，4是16倍光放大器，5是256倍光放大器，6是倍光放大器，7是M-Z强度调制器的射频输入电极，8是M-Z强度调制器的偏置电极。

图3是级联结构的LiNbO₃波导电光模数转换方法的工作过程示意图。

图4是5位级联结构的LiNbO₃波导电光模数转换结构示意图。

其中，1是Y分支器，2是M-Z强度调制器，3是4倍光放大器，4是16倍光放大器，5是256倍光放大器，6是M-Z强度调制器的射频输入电极，7是M-Z强度调制器的偏置电极。

图5是5位级联结构的LiNbO₃波导电光模数转换的光采样的相位编码。

其中，1是输出光强函数曲线，2是光阈值，3是数字信号

具体实施方式

以5bit电光模数转换为例，来证明本发明提出的级联结构的LiNbO₃波导电光模数转换方法是可行的。

步骤1器件的选择

选择半波电压V_π＝2V的M-Z强度调制器作为构成各级强度调制阵列的单元器件。选择的Y分支器均为3dB分束。其结构如图4所示。

步骤2第一位的参数设置及光强输出

步骤2a从锁模激光器发出的采样光脉冲经过Y分支器平均分为两路后，其中第一路光进入本级M-Z强度调制器，被M-Z强度调制器强度调制，其输出光强作为电光模数转换的第一位输出。第二路光作为第二位的输入，直接进入第二级M-Z强度调制器阵列。

步骤2b本级M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为V_b1＝-1V，根据式(3)(见定义一)，得到电光模数转换的第一位的输出光强：

$I_1=I_o{\cos }^2(\frac{{\mathrm{\πV}}_{\mathrm{in}}}{4}-\frac{\mathrm{\π}}{4})$

其中，I_o是激光器输入光强。

步骤3第二位的参数设置及光强输出

步骤3a步骤2a中经过Y分支器分出的第一路光进入第二级的M-Z强度调制器进行强度调制后，输出的光再经Y分支器平均分为两路，其中第一路光作为电光模数转换的第二位输出；第二路光作为第三位的输入。

步骤3b第二级M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为V_b2＝0，根据定义一，得到电光模数转换的第二位的输出光强：

$I_2=I_o{\cos }^2\left(\frac{{\mathrm{\πV}}_{\mathrm{in}}}{4}\right)$

步骤4第三位的参数设置及光强输出

步骤4a把步骤3a中经过Y分支器分出的第二路光由光放大器放大4倍后，进入第三级M-Z强度调制器进行强度调制。

步骤4b第三级M-Z强度调制器输出的光再经Y分支器平均分为两路，其中第一路光作为电光模数转换的第三位输出；第二路光作为第四位的输入。

步骤4c第三级M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为V_b3＝2V，根据定义一，得到电光模数转换的第三位的输出的光强：

$I_3=4I_2{\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{4}+\frac{\mathrm{\π}}{2})=I_o{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2}\right)$

步骤5第四位的参数设置及光强输出

步骤5a使用两个M-Z强度调制器级联构成第四级M-Z强度调制器阵列。

步骤5b把步骤4a中经过Y分支器分出的第二路光由光放大器放大16倍后，进入第四级M-Z强度调制器阵列进行强度调制。

步骤5c第四级M-Z强度调制器阵列输出的光再经Y分支器平均分为两路，其中第一路光作为电光模数转换的第四位输出；第二路光作为第五位的输入。

步骤5d第四级M-Z强度调制器阵列中的第一个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为V_b41＝-1V；第二个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为V_b42＝1V。根据定义一，得到电光模数转换的第四位的输出光强

$I_4=16I_3{\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{4}-\frac{\mathrm{\π}}{4}){\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{4}+\frac{\mathrm{\π}}{4})=I_o{\sin }^2\left(\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}\right)$

步骤6第五位的参数设置及光强输出

步骤6a使用四个M-Z强度调制器级联构成第五级M-Z强度调制器阵列。

步骤6b把步骤5a中经过Y分支器分出的第二路光由光放大器放大256倍后，进入第五级M-Z强度调制器阵列进行强度调制。

步骤6c第五级M-Z强度调制器阵列中的第一个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为V_b51＝1.5V；第二个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为V_b52＝-0.5V；第三个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为V_b53＝-1.5V；第四个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为V_b54＝0.5V。根据定义一，得到电光模数转换的第五位的输出光强

$I_5=256I_4{\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{4}+\frac{3\mathrm{\π}}{8}){\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{4}-\frac{\mathrm{\π}}{8}){\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{4}-\frac{3\mathrm{\π}}{8}){\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{4}+\frac{\mathrm{\π}}{8})$

$=I_o{\sin }^2(2\·\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}})$

步骤7数字信号输出

步骤7a根据步骤2b、步骤3b、步骤4c、步骤5d和步骤6c得到5bit级联结构的LiNbO₃波导电光模数转换对应位的输出光强函数。

步骤7b将光阈值设置为光脉冲强度的1/2，与步骤2b、步骤3b、步骤4c、步骤5d和步骤6c得到的各位输出光强进行比较，得到5bit的光采样的相位编码，如图5所示。

步骤7c把电子比较器的门限电压设为与光脉冲强度的1/2对应的电压值；把由步骤2b、步骤3b、步骤4c、步骤5d和步骤6c得到的输出光强经光电转换为电压信号，与比较器门限电压比较，得到对应的数字信号输出，从而完成5bit的模数转换，输出码型为格雷码(见定义三)。

经过以上步骤就完成了5bit级联结构的LiNbO₃波导电光模数转换。

从具体方法上来看，本产品的设计方法优于已公知的泰勒电极加倍方案，对于5bit级联结构的LiNbO₃波导电光模数转换，本发明用8个M-Z强度调制器级联阵列取代单个电极长度为基本长度16倍的M-Z强度调制器实现第五位的模数转换，因此在器件的选择上更方便，更易于构建高精度的模数转换器。本发明在性能方面也优于现有的光电模数转化方案。特别是采用锁模激光器作为激光源，可以使系统的定时抖动减小到10fs以下，采样速率大于10GS/s，在保证一定精度的前提下大大的调高了采样速率。因此，本发明提出的级联结构的LiNbO₃波导电光模数转换方法有望在高速的信息处理领域得到应用，为高速信号的数字化提供推动作用，具有广泛的应用前景。

Claims (1)

1、一种级联结构的LiNbO₃波导电光模数转换方法，其特征是它包含以下步骤：

步骤1器件的选择

本发明提出的级联结构的LiNbO₃波导电光模数转换方法中使用的M-Z强度调制器的半波电压均一致，为V_π；本发明使用的Y分支器均为3dB分束。

步骤2第一位的参数设置及光强输出

步骤2a从锁模激光器发出的采样光脉冲经过Y分支器平均分为两路后，其中第一路光进入本级M-Z强度调制器，被M-Z强度调制器强度调制后，其输出光强作为电光模数转换的第一位输出；第二路光作为第二位的输入，直接进入第二级M-Z强度调制器阵列。

步骤2b本级M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为V_b1＝-0.5V_π，得到电光模数转换的第一位的输出光强：

$I_1=I_o{\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}-\frac{\mathrm{\π}}{4})$

步骤3第二位的参数设置及光强输出

步骤3a步骤2a中经过Y分支器分出的第二路光进入第二级的M-Z强度调制器进行强度调制后，输出的光再经Y分支器平均分为两路，其中第一路光作为电光模数转换的第二位输出；第二路光作为第三位的输入。

步骤3b第二级M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为V_b2＝0，得到电光模数转换的第二位的输出光强：

$I_2=I_o{\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}\right)$

步骤4第三位的参数设置及光强输出

步骤4a把步骤3a中经过Y分支器分出的第二路光由光放大器放大4倍后，进入第三级M-Z强度调制器进行强度调制。

步骤4b第三级M-Z强度调制器输出的光再经Y分支器平均分为两路，其中第一路光作为电光模数转换的第三位输出；第二路光作为第四位的输入。

步骤4c第三级M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为V_b3＝V_π，得到电光模数转换的第三位的输出的光强：

$I_3=4I_2{\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}+\frac{\mathrm{\π}}{2})=I_o{\sin }^2(2\·\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}})$

步骤5第四位的参数设置及光强输出

步骤5a使用两个M-Z强度调制器级联构成第四级M-Z强度调制器阵列。

步骤5b把步骤4a中经过Y分支器分出的第二路光用光放大器放大16倍后，进入第四级M-Z强度调制器阵列进行强度调制。

步骤5c第四级M-Z强度调制器阵列输出的光再经Y分支器平均分为两路，其中第一路光作为电光模数转换的第四位输出；第二路光作为第五位的输入。

步骤5d第四级M-Z强度调制器阵列中的第一个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为V_b41＝-0.5V_π；第二个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为V_b42＝0.5V_π，得到电光模数转换的第四位的输出光强

$I_4=16I_3{\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}-\frac{\mathrm{\π}}{4}){\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}+\frac{\mathrm{\π}}{4})=I_o{\sin }^2(4\·\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}})$

步骤6第五位的参数设置及光强输出

步骤6a使用四个M-Z强度调制器级联构成第五级M-Z强度调制器阵列。

步骤6b把步骤5a中经过Y分支器分出的第二路光用光放大器放大256倍后，进入第五级M-Z强度调制器阵列进行强度调制。

步骤6c第五级M-Z强度调制器阵列输出的光再经Y分支器平均分为两路，其中第一路光作为电光模数转换的第五位输出；第二路光作为第六位的输入。

步骤6d第五级M-Z强度调制器阵列中的第一个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为V_b51＝0.25V_π；第二个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为V_b52＝-0.25V_π；第三个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为V_b53＝0.75V_π；第四个M-Z强度调制器的直流偏置电压设置为V_b54＝-0.75V_π，得到电光模数转换的第五位的输出光强

$I_5=256I_4{\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}+\frac{\mathrm{\π}}{8}){\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}-\frac{\mathrm{\π}}{8}){\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}+\frac{3\mathrm{\π}}{8}){\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}-\frac{\mathrm{\π}\mathrm{\π}}{8})$

$=I_o{\sin }^2(8\·\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}})$

步骤7第n(n＞3)位的参数设置及光强输出

步骤7a使用2^n-3个M-Z强度调制器级联构成第n级M-Z强度调制器阵列。

步骤7b把第n-1级Y分支器分出的第二路光用光放大器放大

倍后，进入第n级M-Z强度调制器阵列进行强度调制，其输出光强作为电光模数转换的第n位输出。

步骤7c第n级M-Z强度调制器阵列中使用2^n-3个M-Z强度调制器，第m个M-Z强度调制器的输入直流偏置电压为：

$V_{\mathrm{bnm}}=\frac{p{V}_{\mathrm{\π}}}{2^{n-3}}$

其中，m表示第n级M-Z强度调制器阵列中的第m个M-Z强度调制器m＝1，2，3，……，2^n-3，p取±1，±3，±5，……，±(2^n-3-1)中的任意一个，且不能重复；

得到电光模数转换的第n位的输出光强

$I_n=2^{2^{n-2}}{I}_{n-1}{\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}+\frac{\mathrm{\π}}{2^{n-2}}){\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}-\frac{\mathrm{\π}}{2^{n-2}}){\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}+\frac{3\mathrm{\π}}{2^{n-2}}){\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}-\frac{3\mathrm{\π}}{2^{n-2}})$

$\·\·\·{\cos }^2[\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}+\frac{(2^{n-3}-1)\mathrm{\π}}{2^{n-2}}]{\cos }^2[\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}}-\frac{(2^{n-3}-1)\mathrm{\π}}{2^{n-2}}]$

$=I_0{\sin }^2(2^{n-2}\·\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{in}}}{2V_{\mathrm{\π}}})$ 步骤8数字信号输出

步骤8a：根据步骤2b、步骤3b、步骤4c、步骤5d、步骤6d、步骤7c得到n bit的LiNbO₃波导电光模数转换对应位的输出光强函数。

步骤8b：将光阈值设置为光脉冲强度的1/2，与步骤2b、步骤3b、步骤4c、步骤5d、步骤6d、步骤7c得到的各位输出光强进行比较，得到nbit的光采样的相位编码。

步骤8c：把电子比较器的门限电压设为与光脉冲强度的1/2对应的电压值；把由步骤2b、步骤3b、步骤4c、步骤5d、步骤6d、步骤7c得到的输出光强经光电转换为电压信号，与比较器门限电压比较，得到对应的数字信号输出，从而完成nbit的模数转换，输出码型为格雷码。

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