CN106990642A - 基于调制器多通道解复用的光模数转换装置 - Google Patents

基于调制器多通道解复用的光模数转换装置 Download PDF

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Abstract

一种基于调制器多通道解复用的光模数转换装置，包括高速率脉冲激光器、光子采样门、多通道解复用模块、射频频综模块、并行化光电转换模块、并行化电采样模块和数据处理单元。利用调制器的光开关效应实现多通道解复用，通过级联的调制器对高速率的光采样脉冲进行逐级解复用，最终利用并行化的光电转换、电采样以及数据处理复合实现了对被采样信号的采集。这对于提升微波光子雷达和光通信系统等需要高采样速率、高时间精度、高采样精度的微波光子系统的性能，具有十分关键的作用。

Description

基于调制器多通道解复用的光模数转换装置
技术领域
本发明涉及光信息处理技术，特别是一种基于调制器多通道解复用的光模数转换装置。
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(以下简称为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(以下简称为PADC)是利用光子学的高速、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：基于波分复用技术(T.R.Clark,J.U.Kang and R.D.Esman,“Performance of a time andwavelengthinterleaved photonic sampler for analog-digital conversion,”IEEE Photon.Tech.Lett.,vol.11,1168～1169,1999)、基于时分复用技术(A.Yariv and R.G.M.P.Koumans et al.,“Time interleaved optical samplingforultra-high speed A/D conversion,”Electronics Letters,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。
随着对采样速率的要求不断提升，基于波分复用的光模数转换技术需要更多的通道数，从而增加了系统的复杂度。目前，基于主动锁模激光器可以很容易产生高重复频率的光采样脉冲，通过对采样后的高速光脉冲序列进行多通道解复用，实现并行化的数据处理，能够降低后端电光转换和电ADC的带宽和速率的压力。因此，多通道解复用技术对于提升信号传输和处理效率有着十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于调制器多通道解复用的光模数转换装置。该装置采用高速率的脉冲激光器作为系统光源，通过调制器级联的方式对采样后的光脉冲序列进行多通道解复用，并通过并行的光电转换、并行电量化以及并行数据处理，最终实现高速率的光子模数转换。
本发明的技术方案如下：
一种基于调制器多通道解复用的光模数转换装置，其特点在于包括高速率脉冲激光器、光子采样门、多通道解复用模块、并行化光电转换模块、并行化电采样模块、数据处理单元和射频频综模块，所述的高速率脉冲激光器用于产生高速率的光采样序列；所述的光子采样门用于实现时域连续变化电信号的采样；所述的多通道解复用模块用于实现高速光采样序列的多通道解复用；所述的并行化光电转换模块用于实现多通道解复用后的光信号转换为电信号；所述的并行化电采样模块用于实现电信号转换为幅度上离散的数字信号；所述的数据处理单元用于实现多通道数据的复合，以产生最终的离散信号；所述的射频频综模块用于产生多通道解复用模块中调制器所需的射频信号；
所述的高速率脉冲激光器的第一输出端与所述的光子采样门的第一输入端相连，所述的被采样信号经所述的光子采样门的第二输入端输入；
所述的多通道解复用模块包含N级1×2的调制器，第1级包含1个1×2第一调制器，第一调制器的第一输入端与所述光子采样门的第二输出端相连；第2级包含两个1×2的第二调制器、第三调制器，第二第二调制器的第一输入端与第1级的第一调制器的第一输出端相连，第三调制器的第一输入端与第1级的第一调制器的第二输出端相连；第三级包含4个1×2第四调制器、第五调制器、第六调制器、第七调制器，第四调制器的第一输入端与第2级的第二调制器的第一输出端相连，第五调制器的第一输入端与第2级的调制器的第二输出端相连，调制器的第一输入端与第2级的第三调制器的第一输出端相连，第七调制器的第一输入端与第2级的第三调制器的第二输出端相连，按照上述拓扑结构将N级调制器连接，从而产生2N路解复用的输出通道；
所述的多通道解复用模块的2N路输出端与所述的并行化光电转换模块的2N路输入端相连，所述的并行化光电转换的2N路输出端与所述的并行化电采样模块的2N路输入端相连，所述的并行化电采样模块的2N路输出端与所述的数据处理单元的2N路输入端相连；
所述的射频频综模块包含射频分频器模块、功率分配器模块和噪声射频功率放大模块，所述的射频分频器模块中的第1级分频器的输入端与所述的高速率脉冲激光器第二输出端相连，第1级分频器的输出端与功率分配器模块中的第1级功分器的输入端相连，第1级功分器的第一输出端与噪声射频功率放大模块的第一输入端相连；第1级功分器的第二输出端与噪声射频分频器模块中的第2级分频器的输入端相连，第2级分频器的输出端与功率分配器模块中的第2级功分器的输入端相连，第2级功分器的第一输出端与噪声射频功率放大模块的第二输入端相连；第2级功分器的第二输出端与射频分频器模块中的第3级分频器的输入端相连，第3级分频器的输出端与射频功率放大模块的第三输入端相连，按照上述拓扑结构可以产生满足N级需求的射频信号，射频功率放大模块的输出端分别与所述的多通道解复用模块中各级调制器的第二输入端相连。
所述的高速率脉冲激光器可采用但不限于主动锁模激光器或调制频率梳。
所述的光子采样门可采用但不限于铌酸锂电光调制器、聚合物电光调制器、集成电光调制器或空间光调制器。
所述的多通道解复用模块可采用但不限于铌酸锂电光调制器、聚合物电光调制器、集成电光调制器或空间光调制器。
所述的并行化光电探测转换模块可以采用但不限于PIN管或APD管。
所述的并行化电采样模块可以采用但不限于示波器或信息处理板卡。
所述的数据处理单元采用FPGA或者DSP。
所述的射频频综模块采用但不限于射频分离元件或射频集成元件。
基于以上技术特点，本发明具有以下优点：
1、采用高速率的脉冲激光器，能够产生高重复频率的光采样脉冲序列，从而提高系统的采样率。
2、采用了1×2调制器级联的方式实现高速光采样脉冲的多通道解复用，且易于重构，通过调节调制器级联的级数可以实现不同程度的并行化处理，降低后端光电转换和电采样的带宽和采样率的要求。
本发明对于提升微波光子雷达和光通信系统的高采样速率、高时间精度、高采样精度的微波光子系统的性能，具有十分关键的作用。
附图说明
图1为本发明基于调制器多通道解复用的光模数转换装置实施例的整体架构图
图2为射频频综模块和多通道解复用模块的实施例图，其中a为多通道解复用模块的实施例图，b为射频频综模块的实施例图
图3为调制器传输曲线的示意图
图4为调制器实现多通道解复用的原理示意图，其中a为解复用前的采样脉冲示意图，b为解复用后的其中一个通道采样脉冲的示意图
图5为通过1级调制器实现的多通道解复用的各个通道的信号频谱以及复合后的信号频谱示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作详细说明，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。
请参阅图1，图1为本发明基于调制器多通道解复用的光模数转换装置实施例的整体架构图，由图可见，本发明基于调制器多通道解复用的光模数转换装置，其特征在于包括高速率脉冲激光器1、光子采样门3、多通道解复用模块5、并行化光电转换模块6、并行化电采样模块7、数据处理单元8和射频频综模块9，所述的高速率脉冲激光器1用于产生高速率的光采样序列；所述的光子采样门3用于实现时域连续变化电信号的采样；所述的多通道解复用模块5用于实现高速光采样序列的多通道解复用；所述的并行化光电转换模块6用于实现多通道解复用后的光信号转换为电信号；所述的并行化电采样模块7用于实现电信号转换为幅度上离散的数字信号；所述的数据处理单元8用于实现多通道数据的复合，以产生最终的离散信号；所述的射频频综模块9用于产生多通道解复用模块5中调制器所需的射频信号；
所述的高速率脉冲激光器1的第一输出端与所述的光子采样门3的第一输入端相连，所述的被采样信号4经所述的光子采样门3的第二输入端输入；
所述的多通道解复用模块5包含N级1×2的调制器，第1级包含1个1×2第一调制器5-1，第一调制器的第一输入端与所述光子采样门3的第二输出端相连；第2级包含两个1×2的第二调制器5-2、第三调制器5-3，第二调制器5-2的第一输入端与第1级的第一调制器5-1的第一输出端相连，第三调制器5-3的第一输入端与第一调制器5-1的第二输出端相连；第三级包含4个1×2第四调制器5-4、第五调制器5-5、第六调制器5-6、第七调制器6-7，第四调制器5-4的第一输入端与第2级的第二调制器5-2的第一输出端相连，第五调制器5-5的第一输入端与第2级的第二调制器5-2的第二输出端相连，第六调制器5-6的第一输入端与第2级的第三调制器5-3的第一输出端相连，第七调制器5-7的第一输入端与第2级的第三调制器5-3的第二输出端相连，按照上述拓扑结构将N级调制器连接，从而产生2N路解复用的输出通道；
所述的多通道解复用模块5的2N路输出端与所述的并行化光电转换模块6的2N路输入端相连，所述的并行化光电转换6的2N路输出端与所述的并行化电采样模块7的2N路输入端相连，所述的并行化电采样模块7的2N路输出端与所述的数据处理单元8的2N路输入端相连；
所述的射频频综模块9包含射频分频器模块9-1、功率分配器模块9-2和噪声射频功率放大模块9-3，所述的射频分频器模块9-1中的第1级分频器的输入端与所述的高速率脉冲激光器1的第二输出端相连，第1级分频器的输出端与功率分配器模块9-2中的第1级功分器的输入端相连，第1级功分器的第一输出端与噪声射频功率放大模块9-3的第一输入端相连；第1级功分器的第二输出端与噪声射频分频器模块9-1中的第2级分频器的输入端相连，第2级分频器的输出端与功率分配器模块9-2中的第2级功分器的输入端相连，第2级功分器的第一输出端与噪声射频功率放大模块9-3的第二输入端相连；第2级功分器的第二输出端与射频分频器模块9-1中的第3级分频器的输入端相连，第3级分频器的输出端与射频功率放大模块9-3的第三输入端相连，按照上述拓扑结构可以产生满足N级需求的射频信号，射频功率放大模块9-3的输出端分别与所述的多通道解复用模块5中各级调制器的第二输入端相连。
多通道解复用模块5由多级1×2调制器组成，在本实例中，采用了3级结构，通过对多通道解复用模块5中各个调制器外加相应的微波射频信号，调节光脉冲的延时量或者微波射频信号的相位，如图4所示，光脉冲经过3级调制器阵列后，最终实现8路的多通道解复用。产生的8路解复用序列经过包含8路PD单元的并行化光电转换模块6转换成相应的电信号，再通过并行化电采样模块7将并行化光电转换模块6转换成的电信号量化为离散信号，最终由数据处理单元实现8路离散的采样信号的数据复合，生成最终的数字信号。
主动锁模激光器1输出的同步射频信号与射频频综模块9相连，通过射频分频器9-1、射频功率分配器9-2以及射频功率放大模块9-3实现对主动锁模激光器1产生的同步射频信号的分频和功率分配，从而产生多通道解复用模块5中各个调制器所需的射频信号，实现多通道解复用。
上述过程中利用调制器的光开关效应实现多通道解复用，通过级联的调制器对高速率的光采样脉冲进行逐级解复用，最终利用并行化的光电转换、电采样以及数据处理复合实现了对被采样信号的采集。这对于提升微波光子雷达和光通信系统等需要高采样速率、高时间精度、高采样精度的微波光子系统的性能，具有十分关键的作用。

Claims (8)

1.一种基于调制器多通道解复用的光模数转换装置，其特征在于包括高速率脉冲激光器(1)、光子采样门(3)、多通道解复用模块(5)、并行化光电转换模块(6)、并行化电采样模块(7)、数据处理单元(8)和射频频综模块(9)，所述的高速率脉冲激光器(1)用于产生高速率的光采样序列；所述的光子采样门(3)用于实现时域连续变化电信号的采样；所述的多通道解复用模块(5)用于实现高速光采样序列的多通道解复用；所述的并行化光电转换模块(6)用于实现多通道解复用后的光信号转换为电信号；所述的并行化电采样模块(7)用于实现电信号转换为幅度上离散的数字信号；所述的数据处理单元(8)用于实现多通道数据的复合，以产生最终的离散信号；所述的射频频综模块(9)用于产生多通道解复用模块(5)中调制器所需的射频信号；
所述的高速率脉冲激光器(1)的第一输出端与所述的光子采样门(3)的第一输入端相连，所述的被采样信号(4)经所述的光子采样门(3)的第二输入端输入；
所述的多通道解复用模块(5)包含N级1×2的调制器，第1级包含1个1×2第一调制器(5-1)，第一调制器的第一输入端与所述光子采样门(3)的第二输出端相连；第2级包含两个1×2的第二调制器(5-2)、第三调制器(5-3)，第二第二调制器(5-2)的第一输入端与第1级的第一调制器(5-1)的第一输出端相连，第三调制器(5-3)的第一输入端与第1级的第一调制器(5-1)的第二输出端相连；第三级包含4个1×2第四调制器(5-4)、第五调制器(5-5)、第六调制器(5-6)、第七调制器(6-7)，第四调制器(5-4)的第一输入端与第2级的第二调制器(5-2)的第一输出端相连，第五调制器(5-5)的第一输入端与第2级的调制器(5-2)的第二输出端相连，调制器(5-6)的第一输入端与第2级的第三调制器(5-3)的第一输出端相连，第七调制器(5-7)的第一输入端与第2级的第三调制器(5-3)的第二输出端相连，按照上述拓扑结构将N级调制器连接，从而产生2N路解复用的输出通道；
所述的多通道解复用模块(5)的2N路输出端与所述的并行化光电转换模块(6)的2N路输入端相连，所述的并行化光电转换(6)的2N路输出端与所述的并行化电采样模块(7)的2N路输入端相连，所述的并行化电采样模块(7)的2N路输出端与所述的数据处理单元(8)的2N路输入端相连；
所述的射频频综模块(9)包含射频分频器模块(9-1)、功率分配器模块(9-2)和噪声射频功率放大模块(9-3)，所述的射频分频器模块(9-1)中的第1级分频器的输入端与所述的高速率脉冲激光器(1)的第二输出端相连，第1级分频器的输出端与功率分配器模块(9-2)中的第1级功分器的输入端相连，第1级功分器的第一输出端与噪声射频功率放大模块(9-3)的第一输入端相连；第1级功分器的第二输出端与噪声射频分频器模块(9-1)中的第2级分频器的输入端相连，第2级分频器的输出端与功率分配器模块(9-2)中的第2级功分器的输入端相连，第2级功分器的第一输出端与噪声射频功率放大模块(9-3)的第二输入端相连；第2级功分器的第二输出端与射频分频器模块(9-1)中的第3级分频器的输入端相连，第3级分频器的输出端与射频功率放大模块(9-3)的第三输入端相连，按照上述拓扑结构可以产生满足N级需求的射频信号，射频功率放大模块(9-3)的输出端分别与所述的多通道解复用模块(5)中各级调制器的第二输入端相连。
2.根据权利要求1所述的基于调制器多通道解复用的光模数转换装置，其特征在于，所述的高速率脉冲激光器可采用但不限于主动锁模激光器或调制频率梳。
3.根据权利要求1所述的基于调制器多通道解复用的光模数转换装置，其特征在于，所述的光子采样门可采用但不限于铌酸锂电光调制器、聚合物电光调制器、集成电光调制器或空间光调制器。
4.根据权利要求1所述的基于调制器多通道解复用的光模数转换装置，其特征在于，所述的多通道解复用模块可采用但不限于铌酸锂电光调制器、聚合物电光调制器、集成电光调制器或空间光调制器。
5.根据权利要求1所述的基于调制器多通道解复用的光模数转换装置，其特征在于，所述的并行化光电探测转换模块可以采用但不限于PIN管或APD管。
6.根据权利要求1所述的基于调制器多通道解复用的光模数转换装置，其特征在于，所述的并行化电采样模块可以采用但不限于示波器或信息处理板卡。
7.根据权利要求1所述的基于调制器多通道解复用的光模数转换装置，其特征在于，所述的数据处理单元(8)采用FPGA或者DSP。
8.根据权利要求1至7任一项所述的基于调制器多通道解复用的光模数转换装置，其特征在于，所述的射频频综模块采用但不限于射频分离元件或射频集成元件。
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