CN101825827A - 一种微分光脉冲时域展宽模数转换器 - Google Patents

Abstract

一种微分光脉冲时域展宽模数转换器，包括：一超连续激光光源；一电光调制器，该电光调制器的输入端经第一光纤与超连续激光光源的输出端连接，该电光调制器接收待测电信号，接入偏置电压；一延时器，该延时器的输入端与电光调制器的正相信号输出端连接，使电光调制器的正相信号端产生T/2的延时，T＞0；一合成器，该合成器的输入端与延时器的输出端及电光调制器的反相信号端的输出端连接；一感光器件，该感光器件的输入端经第二光纤与合成器的输出端连接；一模数转换器，该模数转换器的输入端与感光器件的输出端连接。

Description

一种微分光脉冲时域展宽模数转换器

技术领域

本发明涉及电光模数转换器技术领域，特别是微分光脉冲时域展宽(Differential photonic Time-Stretched)模数转换器。

背景技术

模数(A/D)转换器的作用是将传感器获得的模拟信号通过取样、量化、编码等过程，转换为数字信息。随着信号处理系统的发展，对模数(A/D)转换器的采样速率、转换精度要求提高。传统的电子模数(A/D)转换器因结构限制，难以满足要求，于是出现了电光模数转换器，微分光脉冲时域展宽(Differential photonic Time-Stretched)模数转换器即是电光模数转换器的一种形式。

模数转换一般经过采样、保持、量化和编码输出四个过程，采样信号频率f_s与被采样信号最高频率f_H(包括噪声在内)间必须满足f_s≥2f_H的关系，实际中常取f_s＝(3～5)f_H。模数转换的速度主要取决于量化和编码(即转换过程)的快慢，而转换过程所用的时间又是保持时间的一部分。提高模数转换的速度，两个方面是必须的：一是提高转换过程的速度；二是提高采样信号频率f_s，使保持时间缩短。电光模数转换器以激光脉冲作为输入之一，把电信号通过电光效应调制到光脉冲上，继而通过感光器件转换为低频电信号。

近二十年来，电子模数(A/D)转换器的制造工艺建立在高度成熟的硅集成电路技术基础上，已非常成熟，但高采样速率和高位数二者不可兼得，采样速率每增加一倍，位数就降低一位。现在，电子模数(A/D)转换器性能的进一步提高遇到重大技术难题：1.将孔径抖动(aperture jitter)降低到1ps以下；2.最大采样速率超过8Gs/s；3.在满足1、2的基础上功耗降低到5W以下。

相对于电子模数(A/D)转换器，电光模数(A/D)转换器在原理上具有巨大的优势。光振荡频率为10¹⁴Hz，现代的锁模激光器(mode-locked lasers)能产生大于10GHz的光脉冲序列，其时间抖动(timing jitter)小于10fs。以光脉冲序列作为采样脉冲明显优于电子脉冲，且可以显著降低采样后信号的相对带宽，为后续处理奠定良好基础。

随着信号处理系统的发展，对模数(A/D)转换器的采样速率、转换精度要求提高。传统的电子模数转换器因结构限制，难以满足要求，于是出现了电光模数转换器，微分光脉冲时域展宽(Differential photonicTime-Stretched)模数转换器即是电光模数转换器的一种形式。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种微分光脉冲时域展宽(Differentialphotonic Time-Stretched)模数转换器。提出将待测信号调制到采样光脉冲上后，利用光纤将采样光脉冲包络在时域上无失真展宽，然后利用低速模数(A/D)转换器将其量化。

本发明一种微分光脉冲时域展宽模数转换器，包括：

一超连续激光光源；

一电光调制器，该电光调制器的输入端经第一光纤与超连续激光光源的输出端连接，该电光调制器接收待测电信号，接入偏置电压；

一延时器，该延时器的输入端与电光调制器的正相信号输出端连接，使电光调制器的正相信号端产生T/2的延时，T＞0；

一合成器，该合成器的输入端与延时器的输出端及电光调制器的反相信号端的输出端连接；

一感光器件，该感光器件的输入端经第二光纤与合成器的输出端连接；

一模数转换器，该模数转换器的输入端与感光器件的输出端连接。

其中超连续激光光源包括：

一光纤锁模激光器；

一掺铒光纤放大器，该掺铒光纤放大器的输入端经光子晶体与半导体泵浦激光器的输出端相连；

一带通滤波器，该带通滤波器的输入端与掺铒光纤放大器的输出端相连，带通滤波器的输出端为超连续激光光源的输出端。

其中超连续激光光源的输出信号的周期为T。

其中所述第一光纤和第二光纤均为单模光纤，其第一光纤和第二光纤的长度L₂、L₁是根据需要进行调整，从而得到需要的时域展宽因子M，M＝1+L₂/L₁。

所用电光调制器为单输入双输出微分马赫-曾德尔调制器。

本发明电光模数转换器具有如下特点：1.转换速率高。2.结构简单，需要元器件少。3.采用微细加工技术，集成度高，可大幅度提高可靠性。

由超连续激光光源产生采样光脉冲，通过一个色散元件(如光纤)展宽，然后在电光调制器中调制到电信号上，再使用第二个色散元件(如光纤)进一步展宽，随后通过感光器件还原为电信号，采样量化。这种方式可以降低对电子模数转换器采样速率的要求。其中，两个色散元件的色散系数可以控制，因此就可以通过控制展宽因子M(M＝1+L₂/L₁)来控制光信号的展宽程度。

该技术与光时分复用(OTDM)和光波分复用(OWDM)技术结合组成N路平行量化通道A/D系统后，还可将整个系统的采样频率进一步提高N倍。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1为本发明的微分光脉冲时域展宽(Differential photonicTime-Stretched)模数转换器。

图2为图1中超连续激光光源构成的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明一种光脉冲时域展宽模数转换器，包括：超连续激光光源11，电光调制器12，感光器件13，普通模数转换器14，其中：

超连续激光光源11包括：一光纤锁模激光器21，产生光脉冲；一掺铒光纤放大器23，该掺铒光纤放大器23的输入端经光子晶体22与半导体泵浦激光器21的输出端相连；一带通滤波器24，该带通滤波器24的输入端与掺铒光纤放大器23的输出端相连，带通滤波器24的输出端为超连续激光光源11的输出端。超连续激光光源11的输出信号周期为T。

超连续激光光源11的输出端通过第一光纤1与电光调制器12的输入端相连，第一光纤1对信号进行展宽，其中所用电光调制器12为单输入双输出微分马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)调制器，该电光调制器12由点1接收待测电信号，由点2接入偏置电压；电光调制器12的正相信号输出端与延时器121的输入端连接，使电光调制器12的正相信号I⁺(t)产生T/2的延时，T＞0；延时器121的输出端及电光调制器12的反相信号I^-(t)的输出端与合成器12的输入端连接；感光器件13的输入端经第二光纤2与合成器122的输出端连接；模数转换器14的输入端与感光器件13的输出端连接。

所述第一光纤1和第二光纤2均为单模光纤，其中第一光纤1和第二光纤2的长度L₁、L₂是根据需要进行调整，从而得到需要的时域展宽因子M(M＝1+L₂/L₁)。

通过以上分析，以下具体设计原形系统。

工作原理：

待测电信号先对一线性啁啾光脉冲串进行强度调制，被调制的啁啾光脉冲串再通过一段光纤色散展宽，得到低速的待测信号。

如图1及图2中，由光纤锁模激光器产生的周期为T的超短光脉冲串通过一段长度为L₁的单模光纤产生线性啁啾，待测电信号通过双输出马赫-曾德尔调制器对此光脉冲串进行强度调制，产生两个频率相同、相位相反的输出，对其中一路进行T/2延时处理后，用合成器把两路光脉冲合成。合成后的光脉冲串再通过一段长度为L₂的单模光纤，由于光纤色散展宽导致包络形状拉伸，即待测信号在时域上得到展宽，最后通过感光器件输出电信号。时域展宽方法用于连续信号的A/D转换时，需要根据光脉冲的脉宽和啁啾特性，将输入信号首先分割成小段，分别进行时域扩展。如果时域展宽的展宽因子为M(M＝1+L₂/L₁)，则输入连续信号至少要分为M路时域展宽并行处理，分别扩展M倍后由低速A/D转换器分别处理。

关于待测电信号s(t)，由下式：

$s\left(t\right)=\frac{1}{m}\frac{I^{+}\left(t\right)-I^{-}\left(t\right)}{I^{+}\left(t\right)+I^{-}\left(t\right)}$

可得到 $I^{+}\left(t\right)=\frac{\mathrm{env}\left(t\right)}{2}[1+m\·s\left(t\right)],$ $I^{-}\left(t\right)=\frac{\mathrm{env}\left(t\right)}{2}[1-m\·s\left(t\right)]$

其中m＝πV_RF/V_π，V_RF是RF信号电压，V_π是半波电压，env(t)是啁啾载波强度，I⁺(t)、I^-(t)是单输入双输出微分马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)调制器的两个频率相同、相位相反的输出。

高速A/D转换中，脉冲的时间抖动和脉宽都是转换误差的主要来源，下面对光脉冲质量的要求做简要分析。

取样脉冲的时间抖动对测量的影响。

设第i个取样点为t_i时刻，取样间隔时间为Δt，则t_i+1＝t_i+Δt，如果时间间隔因抖动变为Δt’，将因此引入测量误差。设输入信号波形为：

V＝V_msin(2πf_mt)

其中f_m为输入信号的最大频率。则由于脉冲抖动引入的调制幅度误差为：

δV＝V_m{sin[2_πf_m(t_i+Δt’)]-sin[2_πf_m(t_i+Δt)]}

当δt很小时，上式可简化为：

δV＝2πf_mV_mδtcos[2πf_m(t_i+Δt)]

则由δt引入的最大幅度误差为：

|δV|_max＝2πf_m V_mδt_max

其中δt_max是最大时间抖动量。通常要求误差小于A/D转换的量化误差，即要求：

|δV|_max＜ΔV/2＝V_m/2^N

(其中ΔV＝2V_m/2^N为量化电压，N为A/D转换的比特位数。)

所以最大时间抖动量应满足：

δt_max＜(2^N+1πf_m)^-1

高速取样对取样脉冲的时间抖动特性要求非常高，通常在亚皮秒(ps)量级。

脉冲宽度ΔT对测量的影响。

设输入信号波形为V＝V_msin(2πf_mt)，则在t’时刻由于脉冲宽度引入的调制幅度误差：

$\mathrm{\δV}=\frac{\underset{t^{\′}-\mathrm{\ΔT}/2}{\overset{t^{\′}+\mathrm{\ΔT}/2}{\∫}}{V}_m\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{m}t\right)\mathrm{dt}}{\mathrm{\ΔT}}-V_m\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_m{t}^{\′}\right)$

利用泰勒级数展开

sin(2πf_mt’)＝sin(2πf_mt)+2πf_m sin(2πf_mt)(t’-t)

+(2πf_m)²sin(2πf_mt)(t’-t)²/2+……

则δV＝(πf_mΔT)²Vmsin(2πf_mt’)/6

由于要求δV小于量化误差的1/2，即|δV|^max＜ΔV/2，求得ΔT＜(3/2^N-1)1/2/πf^m。

本发明以较佳实施例说明如上，然其并非用以限定本发明所主张的专利权利范围。其专利保护范围当视所附的权利要求范围及其等同领域而定。凡熟悉此领域的技术者，在不脱离本专利精神或范围内，所作的更动或润饰，均属于本发明所揭示精神下所完成的等效改变或设计，且应包含在本发明的权利要求范围内。

Claims (5)

1.一种微分光脉冲时域展宽模数转换器，包括：

一超连续激光光源；

一电光调制器，该电光调制器的输入端经第一光纤与超连续激光光源的输出端连接，该电光调制器接收待测电信号，接入偏置电压；

一延时器，该延时器的输入端与电光调制器的正相信号输出端连接，使电光调制器的正相信号端产生T/2的延时，T＞0；

一合成器，该合成器的输入端与延时器的输出端及电光调制器的反相信号端的输出端连接；

一感光器件，该感光器件的输入端经第二光纤与合成器的输出端连接；

一模数转换器，该模数转换器的输入端与感光器件的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的微分光脉冲时域展宽模数转换器，其中超连续激光光源包括：

一光纤锁模激光器；

一掺铒光纤放大器，该掺铒光纤放大器的输入端经光子晶体与半导体泵浦激光器的输出端相连；

一带通滤波器，该带通滤波器的输入端与掺铒光纤放大器的输出端相连，带通滤波器的输出端为超连续激光光源的输出端。

3.根据权利要求1或2所述的微分光脉冲时域展宽模数转换器，其中超连续激光光源的输出信号的周期为T。

4.根据权利要求1所述的微分光脉冲时域展宽模数转换器，其中所述第一光纤和第二光纤均为单模光纤，其第一光纤和第二光纤的长度L₂、L₁是根据需要进行调整，从而得到需要的时域展宽因子M，M＝1+L₂/L₁。

5.根据权利要求1所述的微分光脉冲时域展宽模数转换器，其中所用电光调制器为单输入双输出微分马赫-曾德尔调制器。

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