CN103809346B - 一种超高速光学模数转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超高速光学模数转换装置，包括依次连接的高速率脉冲激光器、频谱展宽模块、重复频率倍增模块、超宽带信号采样模块、波长多通道化模块、并行光电转换模块、并行电量化模块和并行数据处理模块。本发明结合具有高速率的脉冲激光器和波分复用技术，在保留了波分解复用简单易行的优点的同时，通过利用频谱展宽技术克服主动锁模光纤激光器输出频谱窄的弊端，采用具有大带宽的1×2电光调制器进行超高速电光采样，通过增加波分复用通道数或系统并行通道数，在提高系统采样率的同时并未增加光电探测器带宽和电模数转换器采样速率。

Description

一种超高速光学模数转换装置

技术领域

本发明涉及光信息处理技术领域，具体是一种超高速光学模数转换装置。

背景技术

自然界的信号是以连续形式存在的，即模拟信号，为了便于信号的传输、处理和存储，需要将模拟信号转化成数字信号，因此模数转换器是连接模拟世界和数字世界的桥梁。近年来，电模数转换（EADC）技术发展很快，国际上商用芯片的最高采样率为30Gs/s、5.5bit左右，相应设备能够处理的模拟带宽可达30GHz。但这些指标已接近电的理论极限，进一步提高面临很大的挑战，这是因为EADC的设计、制作和封装都是建立在以半导体材料为基础的微电子工艺技术上，进一步提高EADC的性能指标会由于其内部载流子迁移速率与导线尺度限制而存在物理极限，因此必须研究新的技术手段对超宽带信号进行高速、高分辨采样和处理。

光学模数转换技术（PADC）利用光子学的高速、宽带的特点实现对高速信号的采集和处理，具有高采样率、大带宽、无电子瓶颈以及便于并行处理等优点，是一种实现超高速模数转换系统的有效途径。目前已提出多种光模数转换技术方案，包括光学辅助的模数转换器、光采样电量化的模数转换器，电采样光量化的模数转换器，及全光模数转换器。其中，光采样电量化的模数转换器能同时利用光子学的大带宽、高精度以及成熟的电量化技术等优点，成为目前光电子领域的一大研究热门。目前主要有两种光采样电量化的模数转换器方案：基于波分复用（T.R.Clark,J.U.KangandR.D.Esman,“Performanceofatimeandwavelengthinterleavedphotonicsamplerforanalog-digitalconversion,”IEEEPhoton.Tech.Lett.,vol.11,1168～1169,1999）、基于时分复用技术（A.YarivandR.G.M.P.Koumansetal.,“Timeinterleavedopticalsamplingforultra-highspeedA/Dconversion,”ElectronicsLetters,34(21):2012-2013,1998）。基于时分复用的PADC采样率受限于解复用过程中所需的光开关速度以及光时间同步的精度，因而其应用受到了一定限制。而基于波分复用技术的解复用过程非常简单，但其可用的通道数受限于脉冲激光源的重复频率、可用的谱宽等光器件的带宽，从而限制了采样率的提高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种超高速光学模数转换设置，采用具有高速率的脉冲激光器（比如主动锁模激光器）作为系统光时钟模块、使用基于光学非线性和色散管理的频谱展宽技术获取频谱平台而宽、时域脉冲更窄的光源。使用波分解复用器进行谱分割、基于延时和光幅度调节模块进行时间和幅度调整、采用波分复用器进行合波，获取超高速光时钟信号。超高速光时钟信号通过超宽带电光调制器（或电光采样门），实现对超宽带电信号的超高速光采样，使用波分解复用器进行多通道化，并通过并行光电转换、并行电量化和并行数据处理，最终实现超高速率的光学模数转换。

本发明的技术方案如下：

一种超高速光学模数转换装置，其特点在于，包括依次连接的高速率脉冲激光器、频谱展宽模块、重复频率倍增模块、超宽带信号采样模块、波长多通道化模块、并行光电转换模块、并行电量化模块和并行数据处理模块。

所述的频谱展宽模块为一段色散平坦光纤。

所述的重复频率倍增模块包括一个1×N通道的波分解复用器，该波分解复用器的各输出端分别经可调光纤延迟线和可调光功率衰减器与一个N×1通道的波分复用器的输入端连接。

所述的超宽带信号采样模块为1×2电光调制器；所述的波长多通道化模块包括两个1×N通道的第二波分解复用器；该第二波分解复用器的输入端分别与1×2电光调制器的第一输出端、第二输出端相连，第二波分解复用器的各输出端分别经所述的并行光电转换模块和所述的并行电量化模块与多个所述的并行数据处理模块的各输入端相连。

所述的高速率脉冲激光器经该光纤与所述的波分解复用器的输入端连接，所述的波分复用器的输出端与所述的1×2电光调制器的输入端连接。

所述的高速率脉冲激光器用于产生具有高速率的光采样时钟，可采用高重复频率的主动锁模光纤激光器、被动锁模光纤激光器辅助光频谱滤波后的高重复频率激光器、以及多激光器合成等方法实现。

所述的频谱展宽模块用于使高速率脉冲激光器发射的激光脉冲的频谱展宽到足够宽而平坦的光频谱，可采用但不限于高非线性光纤（HNLF）、光子晶体光纤（PCF）以及色散平坦光纤（DFF）等方法实现。

所述的重复频率倍增模块用于产生多波长但时间按照规定间隔的超高速率光采样时钟，先后采用波分解复用技术进行多通道、多波长切割，基于延时和光幅度进行时间和幅度调整，波分复用技术进行多波长合波。

所述的超宽带信号采样模块利用大带宽1×2电光调制器实现对高速电信号的采样，电光采样门输出为携带被采样信号信息的光脉冲序列，可以为幅度调制，也可以为相位调制等电光采样方式。

所述的波长多通道化模块包括两个波分解复用器，每个波分解复用器分别对应所述超宽带信号采样模块中高带宽1×2电光调制器的两路电光采样输出。波分解复用器的通道数与超高速率光采样时钟中的波长数相同，并一一对应。

所述并行光电转换模块包含两套光电转换单元，分别对应波分解复用模块的两个波分解复用器。每个光电转换单元包含多个输入通道，每一个输入通道对应一个波分解复用模块的一个输出波长通道，每个输入通道上都有一个光电探测器（PD），用于将光信号转换成电信号。

所述光电探测器可以采用PIN管或APD管。

所述的并行电量化模块包含与并行光电转换模块一样的通道数，每个并行电量化模块的输入通道上都有一个电模数转换器（电ADC），用于将模拟信号量化成数字信号。

所述的并行数据处理模块也包含与并行光电转换模块一样的通道数，每个输入通道上都有一个数据处理单元（比如FPGA或者DSP），用于将多路电ADC输入校正和复合成最终的数字信号。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.结合具有高速率的脉冲激光器和波分复用/解复用技术，在保留了波分复用/解复用的简单易行优点的同时，通过利用频谱展宽技术克服主动锁模光纤激光器输出频谱窄的弊端，通过增加波分复用的通道数从而成倍增加系统的采样率。

2、采用具有高带宽的1×2电光调制器，确保了高带宽、高精度的电光采样的实现。

3、采用波长多通道化方式，在提高采样率的同时并未增加对后端光电转换带宽与电处理速率的要求。

附图说明

图1为本发明超高速光学模数转换装置的结构示意图。

图2为本发明超高速光学模数转换装置实施例中各阶段光采样时钟及其频谱图。

图3为并行波分复用的超高速采样信号示意图，其中（a）为经过电光采样后的光脉冲序列；（b）为经过解复用的光采样脉冲序列，每一路采样率为10Gs/s。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的一个具体实施例子。本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参阅图1，图1为本发明超高速光学模数转换装置的结构示意图，如图所示，一种超高速光学模数转换装置，包括依次连接的高速率脉冲激光器1、频谱展宽模块2、重复频率倍增模块3、超宽带信号采样模块4、波长多通道化模块5、并行光电转换模块6、并行电量化模块7和并行数据处理模块8。

本实施例中，高速率脉冲激光器使用主动锁模激光器1，其输出重复频率为10GHz的光采样时钟9，10是光采样时钟9的频谱，其3dB宽度为1nm。输出的光采样时钟9经过频谱展宽模块2（主要是一段色散平坦光纤，DFF）后，频谱10展宽成3dB谱宽为16nm的较宽频谱11，此时光采样时钟12的重复率不发生改变。在重复频率倍增模块3中，展宽后的频谱11经过一个16通道的波分解复用器3-1后，被切割成16路具有相同宽度、不同中心波长的频谱13，每一路输出经过对应的可调光纤延迟线3-2后，分别再通过一个可调光功率衰减器3-3（VOA）；然后各波分路径上的采样时钟分别进入一个波分复用器3-4，波分复用器3-4有16个与不同中心波长采样时钟一一对应的输出端口，通过调节每一路的延时和光功率，此时16路并行、采样率均为10Gs/s的光采样时钟合并成1路串行、采样率为160Gs/s的超高速光采样时钟14，采样率增加了16倍。超高速率的光采样时钟14作为光载波，进入到超宽带信号电光采样模块4中，被采样信号4-2通过一个带宽为65GHz的1×2电光调制器4-1加载到载波上。然后1×2电光调制器4-1输出的两路电光采样脉冲序列（如图3（a））分别进入波长多通道化模块5中的两个波分解复用器5-1中，每个波分解复用器对应1×2电光调制器4-1的一路光采样输出；波分解复用器5-1的通道数为16个，与超高速率光采样时钟中的波长数相同，并一一对应。

波分解复用器5-1将图3（a）所示的已电光采样的光脉冲序列解复用成16路，每一路采样率降为10Gs/s，如图3（b）所示。在并行光电转换模块6中，波分解复用器5-1的每一路输出都分别通过一个5GHz带宽的光电探测器转换为电信号，再分别经过并行电量化模块7中一个采样率为10Gs/s的电ADC量化为数字信号。最后所有的数据分别进入并行数据处理模块8中进行数据处理和复合，得到被采样信号的数字化结果。

在上述过程中，通过将具有高速率的主动锁模光纤激光器、频谱展宽技术与重复频率倍增技术结合的方法，确保系统的总采样率达到了160Gs/s。系统采用具有高带宽的1×2电光调制器，采用波长多通道化技术，确保了高带宽、高精度电光采样的实现。后端量化采用波分复用方式进行并行多通道化，大幅降低了单个光电探测器的带宽（比如5GHz）、还大幅减低单个通道的电量化采样率和带宽。本发明可广泛用于超宽带雷达、瞬态信号检测、对抗、高能物理等领域的高速宽带信号采集与处理等领域。

Claims (3)

1.一种超高速光学模数转换装置，包括依次连接的高速率脉冲激光器(1)、频谱展宽模块(2)、重复频率倍增模块(3)、超宽带信号采样模块(4)、波长多通道化模块(5)、并行光电转换模块(6)、并行电量化模块(7)和并行数据处理模块(8)；其特征在于，所述的重复频率倍增模块(3)包括一个1×N通道的第一波分解复用器(3-1)，该波分解复用器(3-1)的各输出端分别经可调光纤延迟线(3-2)和可调光功率衰减器(3-3)与一个N×1通道的波分复用器(3-4)的各输入端连接。

2.根据权利要求1所述的超高速光学模数转换装置，其特征在于，所述的频谱展宽模块(2)为一段色散平坦光纤。

3.根据权利要求1所述的超高速光学模数转换装置，其特征在于，所述的超宽带信号采样模块(4)为1×2电光调制器(4-1)，该1×2电光调制器(4-1)的输入端与所述的波分复用器(3-4)的输出端相连；所述的波长多通道化模块(5)包括两个1×N通道的第二波分解复用器(5-1)，该第二波分解复用器(5-1)的输入端分别与1×2电光调制器(4-1)的第一输出端、第二输出端相连，第二波分解复用器(5-1)的各输出端分别经所述的并行光电转换模块(6)和所述的并行电量化模块(7)与多个所述的并行数据处理模块(8)的各输入端相连。